編者按：備貨少，聲量足，小米MIX 秒光是一件意料之中的事情。雖說在這個(gè)“PPT手機(jī)”泛濫的時(shí)代，沒搶到一臺(tái)概念機(jī)不足為談，但得不到的永遠(yuǎn)在騷動(dòng)，祛魅比盲目點(diǎn)贊也更靠譜。

本期硬創(chuàng)公開課，「唯物」邀請(qǐng)了聲學(xué)博士陳孝良從他的專業(yè)角度對(duì)這款手機(jī)進(jìn)行解讀，內(nèi)容方面深入淺出，相信無論是消費(fèi)者還是從業(yè)者，均能從中獲益。以下為演講實(shí)錄，由「唯物」整理。

小米MIX 的設(shè)計(jì)和工藝公認(rèn)是非常困難的，超大的屏占比抓住了很多眼球，大家也為小米的這次創(chuàng)新鼓掌。但是同時(shí)，由于不拘一格的設(shè)計(jì)，以及眾多新技術(shù)的應(yīng)用，特別是一些技術(shù)并未得到規(guī)?；?yàn)證，導(dǎo)致了良品率極低。

小米為何如此冒險(xiǎn)？這次我從小米MIX 應(yīng)用的兩項(xiàng)聲學(xué)新技術(shù)分析一下。

小米MIX 其驚艷的外觀令人印象深刻，屏占比達(dá)到了史無前例的 91.3%，視覺上為“三面無邊框”（僅保留底部邊框）。其中，取消頂部邊框是一個(gè)非常大膽的嘗試，因?yàn)轫敳窟吙蛑辽贂?huì)有 3 個(gè)器件：前置攝像頭、距離傳感器和聽筒。另外很多手機(jī)還會(huì)多放一個(gè)麥克風(fēng)以便嘈雜環(huán)境的時(shí)候降低噪聲，以及普遍還放置光線傳感器。

事實(shí)上，對(duì)于當(dāng)前的智能手機(jī)，改動(dòng)任何一個(gè)傳感器位置都是很大的設(shè)計(jì)嘗試。

但是小米為了取消頂部邊框，不得不做一些冒險(xiǎn)的技術(shù)嘗試。攝像頭和光線傳感器位置不是非常敏感，放到下部邊框也可以，當(dāng)然，攝像頭放在底部，自拍稍微麻煩，但距離傳感器和聽筒主要是通話輔助，更換位置就本末倒置了。

那么，什么是聽筒？

學(xué)術(shù)上一般叫受話器（Receiver），媒體經(jīng)常說成“聽筒”，實(shí)際上可以理解為小型喇叭，有時(shí)候也叫著微型揚(yáng)聲器。

普通受話器和揚(yáng)聲器的工作原理類似，都是利用電感的電磁作用，即在一個(gè)放于永久磁場中的線圈中以聲音的電信號(hào)，使線圈中產(chǎn)生相互作用力，依靠這個(gè)作用力來帶動(dòng)受話器的膜片振動(dòng)發(fā)聲。

另外還有一種靜電式受話器，通過在兩個(gè)靠得很近的導(dǎo)電薄膜之間加上電信號(hào)，使這兩個(gè)導(dǎo)電薄膜由于電場力的作用而發(fā)生振動(dòng)，來推動(dòng)周圍的空氣振動(dòng)，從而發(fā)出聲音。這種受話器目前在手機(jī)中使用越來越多。現(xiàn)在市面上已經(jīng)有靜電揚(yáng)聲器出售了。

先討論一個(gè)問題：既然有了“喇叭"，為何還要“聽筒“？

可能很多人還沒有留意，手機(jī)從功能機(jī)時(shí)代的標(biāo)準(zhǔn)配置就包含了一個(gè)受話器，一個(gè)揚(yáng)聲器，到現(xiàn)在也沒有多大變化，為什么會(huì)這樣？

技術(shù)還是要滿足需求，這需要探索手機(jī)的兩項(xiàng)主要功能：通話和娛樂。受話器和揚(yáng)聲器的主要區(qū)別也恰巧符合這兩種功能的技術(shù)要求。

通話是手機(jī)的基本功能，特別是手機(jī)，需要滿足兩個(gè)基本需求：聽得清、私密好，這正是受話器的基本特點(diǎn)。受話器的尺寸一般都在 2 cm 以內(nèi)，其功率基本都在 0.5 W 左右，很少超過1W（更大的也有一種用途）。受話器頻率響應(yīng)主要在中高頻的人聲頻段，幾乎不會(huì)低于 500HZ，相對(duì)來說衰減會(huì)比較快。

這些限制導(dǎo)致受話器的聲音傳播衰減很快，所以不靠近聽筒很難聽到聲音，從而保證了通話過程的私密性。

當(dāng)然了，受話器也有很大的缺點(diǎn)，免提或者聽音樂就無能無力了，這時(shí)候就需要切換到大功率的揚(yáng)聲器，通常稱為喇叭，喇叭由于功率增大其音量也很大，而且喇叭的音質(zhì)也增色不少。國內(nèi)很多山寨機(jī)就主打“大功率喇叭”。

看來這兩項(xiàng)功能確實(shí)不可替代，聽筒和喇叭至少在當(dāng)前手機(jī)設(shè)計(jì)中還是無法繞過的。

另外免提時(shí)候手機(jī)切換到喇叭工作模式，這個(gè)時(shí)候音量就會(huì)很大，周邊的人都可以聽到手機(jī)通話的聲音，但同時(shí)卻帶來了一個(gè)副作用，就是若兩方同時(shí)說話的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候手機(jī)里面的麥克風(fēng)也把喇叭播放的聲音錄了回去，然后再傳輸回放到了遠(yuǎn)端，遠(yuǎn)端的人聽起來就好像回聲一樣，嚴(yán)重影響了通話質(zhì)量。

所以手機(jī)里面自然又需要增加一項(xiàng)功能，回聲抵消。

這個(gè)功能不僅免提時(shí)候啟用，而且網(wǎng)絡(luò)語音對(duì)話的時(shí)候也需要啟用。回聲抵消是雙工通話的關(guān)鍵性技術(shù)。目前來看，技術(shù)來源主要是手機(jī)芯片廠商的集成和專業(yè)廠商的算法授權(quán)，比如聲智科技甚至提供了面向低端攝像頭的回聲抵消和語音增強(qiáng)技術(shù)方案，讓小小的攝像頭具備了通話甚至語音識(shí)別的能力。

那么，聽筒能不能放到手機(jī)下邊框？

聽筒的技術(shù)特性要求聽筒必須物理上貼近耳朵，這嚴(yán)重限制了 ID 設(shè)計(jì)的自由度。但是也是沒有辦法的事情，因?yàn)橥ㄔ掃€是個(gè)非常私密的事情，特別是在較為安靜的場景，誰也不希望周邊的人聽到雙方交談的內(nèi)容

Apple 在 iPhone 7 上據(jù)說就是使用底部的揚(yáng)聲器與頂部的受話器搭配，通過算法調(diào)校出來立體聲音效的體驗(yàn)?？紤]到手機(jī)內(nèi)部緊湊的設(shè)計(jì)，確實(shí)也很難安放第二個(gè)揚(yáng)聲器。

小米MIX 的答案是：懸臂壓電陶瓷導(dǎo)聲技術(shù)。

這并不新鮮，因?yàn)橄钠?2011 年的功能機(jī)就采用了這種技術(shù)，包括夏普的智能機(jī)也部分采用，但是體驗(yàn)都不是太好。這種方式和受話器的發(fā)聲原理是一樣的，都是通過電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)來產(chǎn)生聲音，兩者之間的區(qū)別僅僅是振動(dòng)材料的不同而已。

為了大家理解壓電陶瓷發(fā)聲，我們舉幾個(gè)簡單的例子：

第一個(gè)例子就是網(wǎng)上眾多的共振音箱，通過壓電陶瓷的振動(dòng)可以帶動(dòng)玻璃甚至桌面振動(dòng)產(chǎn)生聲音。

第二個(gè)例子就是超聲加濕器，其核心器件就是一個(gè)壓電陶瓷片，這種 1~3MHz 的壓電陶瓷片可以振動(dòng)激發(fā)出水霧，當(dāng)然這個(gè)頻率的聲音我們是無法聽到的（人耳最高聽到20KHz，而且隨著年齡增加持續(xù)下降）。

順便說一句，超聲加濕器的這種方式是不安全的，容易擴(kuò)散細(xì)菌造成呼吸道疾病。

壓電陶瓷的這種功能主要是得益于壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，這種特性是著名的居里夫婦 1880 年發(fā)現(xiàn)的。壓電效應(yīng)通俗來說，就是某種材料沿一定方向受到外力的作用而變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生的極化現(xiàn)象。

壓電效應(yīng)有正效應(yīng)和逆效應(yīng)。簡單來說，正效應(yīng)可以產(chǎn)生電，逆效應(yīng)可以利用電產(chǎn)生形變。利用逆效應(yīng)給壓電材料施加電壓它就會(huì)變形，若施加可控制的交流電就可以產(chǎn)生我們需要的形變，這種形變就可以產(chǎn)生振動(dòng)從而發(fā)出聲音。

實(shí)際上很多材料具有壓電效應(yīng)，只不過壓電陶瓷相對(duì)來說比較便宜和穩(wěn)定。

從上面來看，這項(xiàng)技術(shù)其實(shí)蠻普通的，通過激勵(lì)壓電陶瓷產(chǎn)生聲音，進(jìn)而再帶動(dòng)手機(jī)陶瓷框架振動(dòng)發(fā)聲傳到耳朵，關(guān)鍵點(diǎn)是要控制好音質(zhì)，因?yàn)檫@種方式的音質(zhì)取決于跟隨振動(dòng)的材質(zhì)?？梢曰▊€(gè)幾十塊錢試試共振音箱，貼在桌子、玻璃或者鋼板上試聽下效果。

那么，這種技術(shù)的效果到底好不好？會(huì)不會(huì)是未來的主流技術(shù)呢？

答案應(yīng)該是清晰的，這種壓電陶瓷的效果還是不能讓人滿意的，特別是作用到手機(jī)上用來替換聽筒，至少有三個(gè)方面的缺陷：

第一個(gè)就是音質(zhì)問題，這種方式產(chǎn)生的聲音比傳統(tǒng)的受話器要差不少，降低通話體驗(yàn)顯然是小米MIX 無奈之舉；

第二個(gè)就是私密性不好，因?yàn)檎麄€(gè)陶瓷機(jī)身都在振動(dòng)發(fā)聲，這在很多場景都會(huì)讓聲音輻射出去，這是蠻尷尬的一件事情，如同半開了免提效果一般；

第三個(gè)就是握感不好，打電話的時(shí)候握著的手機(jī)總是在振動(dòng)，這真讓處女座的人簡直無法忍受了。還有，國內(nèi)總喜歡給手機(jī)帶個(gè)護(hù)套啥的，這些都會(huì)影響手機(jī)通話質(zhì)量。

至于量產(chǎn)倒是其次，畢竟是概念機(jī)。雖然壓電陶瓷的量產(chǎn)確實(shí)是個(gè)大問題，現(xiàn)在很難的技術(shù)就是壓電陶瓷的切割，陶瓷易碎導(dǎo)致成本很貴，同時(shí)也側(cè)面說明小米MIX 是一款需要精心呵護(hù)的手機(jī)，不能輕易給摔了，郁悶的是還不能給帶個(gè)厚厚的外殼。

壓電陶瓷的事情我們先討論在這，下面再看看超聲距離傳感這項(xiàng)技術(shù)。

小米取消紅外傳感也是不得已，沒有了手機(jī)上框讓很多傳感無處藏身，取消紅外距離傳感估計(jì)是多家手機(jī)廠商的共同想法。

事實(shí)上由于光學(xué)距離感應(yīng)器需要在手機(jī)的正面開一個(gè)矩形黑塊或兩個(gè)大孔，手機(jī)設(shè)計(jì)人員早就想去除這個(gè)小孔。

但這些小孔又非常重要，主要用于檢測用戶何時(shí)正在打電話，從而禁用觸摸屏，如果沒有距離感應(yīng)功能，用戶的面頰就經(jīng)常觸摸屏幕容易產(chǎn)生意外操作，比如很多時(shí)候貼緊面部經(jīng)常意外掛掉電話，或者開啟了其他可怕的功能。

既然沒有了上邊框，紅外無法使用，小米也花了很大心思，采用了超聲距離感應(yīng)的方法。

超聲波測距原理與雷達(dá)原理是一樣的。首先超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為 340 m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2

順便說一下，當(dāng)前手機(jī)中的 mems 麥克風(fēng)普遍具有了接收超聲波段的能力，有的麥克風(fēng)可以聽到 80KHz。

同時(shí)，由于手機(jī)揚(yáng)聲器尺寸也很小，發(fā)射超聲波段的聲音難度也不大，也就為超聲測距形成了天然的條件。手機(jī)中現(xiàn)在已經(jīng)擁有了多個(gè)麥克風(fēng)和喇叭，未來甚至還可以做超聲手勢識(shí)別。

當(dāng)前幾種主流手勢識(shí)別技術(shù)我們列舉和對(duì)比如下：

但是呢，這項(xiàng)技術(shù)還不是非常成熟，小米也算是首次嘗試。

小米的這種技術(shù)可成為軟件解決方案，應(yīng)該是Elliptic Labs這家公司提供的。事實(shí)上，單憑超聲測距這項(xiàng)技術(shù)來說，沒有多大技術(shù)難度，也不會(huì)有太大的專利壁壘。

最后再來總結(jié)一下，上面的這兩項(xiàng)技術(shù)未來會(huì)成為主流嗎？

分開來看，壓電陶瓷導(dǎo)聲這種技術(shù)應(yīng)該不會(huì)，畢竟缺陷太多，對(duì)用戶來說也沒有不得不選的理由。

超聲測距這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)該會(huì)有部分手機(jī)需要，但是這要依賴于我們手機(jī)器件的進(jìn)步，特別是麥克風(fēng)和受話器的更新，不能簡單說成軟件方案。

當(dāng)然，我們也可以暢想：全屏、柔性屏將來需要怎樣的聲學(xué)技術(shù)呢？

手機(jī)中聲學(xué)無非就做兩件事情，發(fā)聲和收聲，這兩種器件都在進(jìn)步，有些原理方面進(jìn)展也很大，特別是材料方面的進(jìn)展，比如揚(yáng)聲器就有指向揚(yáng)聲器、靜電揚(yáng)聲器等等出現(xiàn)。而麥克風(fēng)現(xiàn)在基本都是 mems，其頻段越來越寬，具有了拓展更多應(yīng)用的能力。

麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器都在向著數(shù)字化發(fā)展，估計(jì)3年內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)較大增長，這會(huì)讓手機(jī)的設(shè)計(jì)更加簡單。舉個(gè)例子，柔性屏應(yīng)該怎么配喇叭和麥克風(fēng)？現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)研究出了薄膜揚(yáng)聲器和薄膜麥克風(fēng)，相信也會(huì)很快應(yīng)用到一些概念手機(jī)上面。（完）

---嘉賓簡介---

陳孝良，博士，聲智科技創(chuàng)始人，曾任中科院聲學(xué)所副研究員和信息化辦公室主任，中科院上海高等研究院客座，北京市公安局首屆網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急專家，主要從事聲學(xué)信號(hào)處理和 GPU 深度學(xué)習(xí)算法研究工作。

2002 年從北京航空航天大學(xué)畢業(yè)后進(jìn)入金山軟件股份有限公司工作，2003 年進(jìn)入中科院聲學(xué)所，師從著名聲學(xué)家田靜和李曉東學(xué)習(xí)。主要參與海軍某重大項(xiàng)目（已獲得國防重大獎(jiǎng)項(xiàng)）及 863、中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)項(xiàng)目等。期間負(fù)責(zé)的核心算法長期服役于海軍某重大型號(hào)。雷鋒網(wǎng)雷鋒網(wǎng)雷鋒網(wǎng)

2016 年 4 月中旬離職中科院，帶領(lǐng)聲學(xué)陣列和深度學(xué)習(xí)兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在峰瑞資本的支持下成立聲智科技，主要致力于解決真實(shí)場景下的語音交互問題，實(shí)現(xiàn)“聽你所言、知你所想”的愿景。目前聲智科技的語音交互技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于包括 360、小米、百度和東方網(wǎng)力等產(chǎn)品系列以及數(shù)十家音箱和汽車相關(guān)企業(yè)。

雷峰網(wǎng)原創(chuàng)文章，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。詳情見轉(zhuǎn)載須知。