數字時代的聲音科學：從數學之父讀懂華為最大音頻實驗室

時間來到2022年，關于真無線耳機TWS的佩戴穩定性、是否有必要等質疑，已經不再是一個問題，反倒是“音質好壞”“不知道選哪個好”等主觀性較強的顧慮，成為困擾聲學廠商、移動終端廠商的焦點。

對聲音的感知和偏好，帶有很強的個性色彩，這也使得大家對TWS耳機的價值判斷莫衷一是，很容易陷入“索尼大法好”“水電比火電更好聽”之類的玄學。個人喜好自然無需科學來定義，但TWS耳機這一品類要向前發展，卻需要共識和標準，這就離不開定量、定性的科學方法。

（古希臘數學家畢達哥拉斯）

對畢達哥拉斯來說，聲音的愉悅感正是通過科學來定義的。英國作者邁克·戈德史密斯在《牛津通識課：聲音》一書中寫道：聲學是最早的科學研究領域之一。早在公元前500年左右，畢達哥拉斯(Pythagoras) 聽到鐵匠們敲打鐵錘時發出的聲音，他稱量了鐵匠們所用錘子的重量，發現那些發出悅耳聲音的錘子的重量之間是簡單的倍數關系，八度音程是所有音程中最和諧的。TWS耳機要讓消費者體驗更好，滿足降噪、音質、交互等全方位的需求，離不開嚴苛而精確的科學支撐。

近段時間，8月18日，華為音頻領域迄今最大的實驗室——上海音頻實驗室首次向媒體開放，闡述了華為音頻從硬件、軟件到無線高清傳輸的全鏈路式解決方案，原來一個華為TWS耳機從誕生到出廠，要在里面經歷一關又一關的連環考驗。

沿著這段TWS耳機的科技之旅，很適合深入扒一扒華為在數字音頻領域的技術“家底兒”，也能借此機會審視一下，TWS耳機究竟需要什么樣的體系化能力。

旅程第一站：科學的原點

如前所說，科學是人類理解和感知聲音的最佳標尺。大約4億年前，當兩棲動物在陸地上定居后，為了探測經由空氣傳導的聲音，鼓膜和耳蝸就開始演化了，聲音的出現甚至早于視覺，這是科學的原點。

古希臘人在建筑結構上窮盡腦洞，公元前4世紀的埃皮達魯斯劇院用石灰石制成座椅，用來吸收頻率低于500赫茲的聲音，降低觀眾竊竊私語的噪音。第一次世界大戰，人們意識到高頻聲音能夠作為聲吶系統的一部分，才對它們產生了興趣。第二次工業革命中，愛迪生發明了留聲機，讓錄制好的音樂通過電聲轉換設備分享給了發燒友們，帶動了音響藝術。到了1979年，索尼第一款磁帶隨身聽TPS-L2亮相，便攜式耳機隨之進入市場。到了2016年AirPods問世，實現了雙耳分離，也開啟了TWS耳機的競逐。

不難發現，耳機的發展與人類科技的進步、對音質永無止境的追求、享受音樂的需求逐漸大眾化，有著直接的關系，沿著兩個核心脈絡向前演進：

一是便攜性。一方面，耳機的體積越來越小，1891年誕生的耳機是專為通信而打造的，使用時需要把重達幾磅的耳機支在肩頭，隨著Walkman、iPod、手機等設備的普及，耳機憑借其小巧的體型、相比音響更友好的價格，成為欣賞音樂的主流設備，生產工藝也使得耳機體型越來越小，入耳式耳塞可以把聲音灌入耳道。便攜性的另一面，則體現在從有線到無線的演進，減少了連接線的束縛。上世紀曾誕生了以紅外線作為傳輸的無線立體聲耳機，但紅外線發射的距離有限、范圍有限，發射器和接收器裝置也無法小型化，沒能大范圍普及。也曾出現過WiFi的無線耳機，但WiFi建設成本高，無法滿足用戶隨時享受音樂的移動需求，同時配對復雜，換一個WiFi就要重新輸入密碼，十分繁瑣。TWS耳機之所以成為無線耳機的主流解決方案，得益于藍牙在帶寬、功耗、連接穩定性等方面的優越性，加上智能手機的普及和無線化趨勢，TWS耳機成為滿足大眾聽覺體驗的首選方案。

二是音質。聲學品牌率先開始投入耳機制造領域，1959年日本STAX公司推出了震驚世界的SR-1，無與倫比的細膩及低失真表現將同時代的動圈耳機拋后幾個身位。1979年索尼進軍耳機行業，“索尼大法”憑借音質吸引音樂發燒友流行世界。TWS耳機采用無線傳輸，擺脫了耳機線的束縛，在聽覺體驗上的技術難度也增加了。

一方面，音質好要集成高素質的聲學單元，這就對TWS耳機的設計和工藝提出了很高挑戰，比如以音質為賣點的鐵三角ATH-CKR7TW，采用DLC類鉆石碳涂層振膜單元，在當時達到了很高的單元素質，也導致產品體積過大，佩戴舒適度不足。

此外，TWS耳機去掉了連接線，左右耳分離的特征雖然方便，但出現了連接穩定性低、區分主副耳、時延大等新問題，往往需要與手機等設備來協同優化，而很多TWS耳機廠商本身沒有智能手機、可穿戴設備等產品線，無縫協同、降低延時、同步穩定性等方面與華為、三星等多品類廠商就略顯遜色。比如三星Galaxy Buds搭配三星手機可以無縫連接，華為Freebuds Pro2與華為手機配合，支持高端藍牙音頻傳輸標準HWA和Hi-Res Audio Wireless雙金標認證，加上耳機自帶的四磁體13mm高質量動圈單元，音質表現自然更好。傳統聲學廠商的優勢是長期的內容積累，比如索尼就提供“索尼精選”的包月收費服務，用戶可以欣賞到超越CD的Hi-Res音源。

同時，TWS耳機靠近耳道，如果降噪、控制力做得不夠好，用戶為了聽得更清楚而將音量開大，久而久之會對聽力造成損害?！败浖x一切”的數字時代，主動降噪、高低頻調校等來控制聲音動態表現，需要軟硬件結合的開發能力，傳統聲學廠商也未必能游刃有余，比如索尼WF-1000X作為首款具備主動降噪功能的TWS耳機，降噪效果卻沒能達到很多人預期的效果。

綜觀耳機產品的變化可以發現，聲學科技的進步，數字音頻的發展，享受好音質的門檻不斷降低等等，多重因素共同決定了耳機對于消費者的吸引力。未來，圍繞TWS耳機的競爭還會更激烈，也說明創新開始進入深水區。主要表現在：淺層創新開始“內卷”，比如受限于新技術、新材料的突破周期，體積減無可減，開始在外觀、器材上同質化競爭，幾十元的TWS耳機都開始塞進動圈單元，新技術亮點不足，同時出現了“科技以換殼為本”的供應鏈式創新。而一些尚未解決的體驗痛點，則需要深層創新來攻克，比如時延、音質、降噪等，讓聲音從“能聽”到“好聽”，不是孤立技術能解決的，需要編解碼技術、音源、硬件、算法等綜合發力。

從這個角度看，華為上海音頻實驗室的出現恰逢其時，讓我們沿著科學的路線圖，去看看TWS耳機升級都需要哪些硬核科技作為后盾。

旅程第二站：華為耳機的試煉場

來自實驗室的千錘百煉，對一款耳機來說或許有些吹毛求疵，卻是消費者所喜聞樂見的。作為華為迄今面積最大的音頻實驗室，華為上海音頻實驗室對于一部TWS耳機來說，可能就是“試煉場”一般的存在，通過層層測試和考驗來打造極致音頻體驗。

一部TWS耳機會在華為上海音頻實驗室，要經歷哪些難關？咱們用“云旅游”的方式來感受一下：

首先來到“硬件創新實驗室”。硬件創新的前提是有各種儀器設備來進行調試，華為為該實驗室引入了各種研發、調試利器，為產品設計和用戶體驗提供保障。比如通過3D打印機，能夠進行定制化的耳機形態打印，與人耳的貼合度更高。

聽覺體驗與具體情境高度相關，在真實世界中或盡可能接近真實世界的環境中測試至關重要。產品設計完成之后，就要經歷一系列場景化測試與檢驗了。華為上海音頻實驗室在場景化方面部署重兵，搭建了耳機通話實驗室、耳機降噪實驗室、車載場景實驗室、可變混響場景實驗室等多個細分實驗室，以滿足各種不同場景下的聲音體驗最優化。

比如耳機通話，就是一個極為高頻的使用場景。華為的耳機通話實驗室十分“黑科技”，是一個尖劈設計的全消聲實驗室。在一座“懸空”于地面的房間，采用6面尖劈設計，本底噪聲僅有9dBA，甚至超越了20dBA的人類聽力極限——人走進入可以聽到自己的“心跳”的聲音。在這樣的環境中，還擺放了8個揚聲器及一個低音揚聲器，最大程度地還原真人在不同環境下進行通話，包括安靜的、有噪聲的、高噪的、多人講話等場景?？上攵?，這個實驗室對于噪聲場景的還原以及耳機通話能力的調試也是極為優越的。

主動降噪是利用電子技術來是消除噪聲，帶來音質和聽覺體驗的明顯提升。具體怎么降低噪聲呢？“耳機降噪實驗室”就是專業干這個的。同樣是全消聲實驗室，耳機降噪實驗室采用的是平板吸聲技術，本底噪聲只有10dBA，通過噪音信號采集、不斷重放調試，通過科學嚴謹的環境，測試耳機的降噪能力，HUAWEI FreeBuds Pro 2的智慧動態降噪都是在這里進行調試的。

空間音頻實驗室的揚聲器系統，可以營造出標準三維聲環繞環境，模擬還原真實的生活場景，在這里對音樂、電影、有聲書等音源進行反復調試，滿足發燒友對聲音的嚴苛要求。室內場景模擬實驗，則用于對平板、PC、大屏、音響、家庭影院等產品在各種生活環境中的音樂播放效果的調測，滿足用戶在不同場景、不同空間大小中，混響差異帶來的細致感受。

當然，效果好不好，最終還是要靠用戶的真實感受和反饋來說話，用戶測試是不可或缺的一環。在可變混響實驗室，通過用戶的主觀體驗觀察與測試，將個性化的用戶體驗轉變成一個個定量的科學數據，進而指導華為耳機產品的優化。在實驗室的“采訪間”內，用戶對耳機的降噪舒適度、佩戴舒適度、通話等進行打分，幫助工程師進行更優產品體驗的打磨。還有與專業醫院測試儀器同精度的聽損測試儀設備，可以準確檢測出耳朵的聽損程度，后續結合智能算法來優化聽感、保護聽覺健康。

只有將科技產品帶入不同情境、不同空間、不同體驗之中，讓多種技術能力的融合協同發揮到極致，才能打破TWS體驗的天花板。

旅程第三站：FreeBuds Pro 2的路標

華為上海音頻實驗室能力如此強大，給出了怎樣的產品答卷呢？FreeBuds Pro 2就是那枚經過了千錘百煉的TWS耳機，也成為引領行業科技創新方向的一個路標。

前面說到，深層創新需要多種技術的協同突破，而FreeBuds Pro 2耳機的音頻體驗，正是通過全鏈路能力來系統性輸出。

硬件架構創新：HUAWEI FreeBuds Pro 2的超感知原聲雙單元系統，創新性地采用了兩個獨立發聲單元的聲學架構：音單元采用11mm四磁體雙磁路大動圈單元，磁通量更大，推動振膜的驅動力也會更大，從而讓低音呈現更加渾厚有力，直入人心；高音單元采用微平板技術，音圈驅動面積占振膜全部面積的比例更大，與音源近似一致的瞬態響應速度，讓聽眾能夠聽清楚音樂中的更多細節。很多音樂發燒友喜歡用“易推”“沒推好”來判斷耳機品質，其實就是耳機能不能快速反應，推出平衡的好的聲音，這對耳機的驅動力、靈敏度都有很高的要求，HUAWEI FreeBuds Pro 2的架構創新，結合數字分頻方案，讓TWS耳機也有了媲美頭戴HiFi耳機的音質。

軟件算法進步：“軟件定義一切”在數字音頻領域主要體現在降噪、音質上。主動降噪方面，華為基于耳機通話實驗室自研了DNN深度神經網絡通話降噪算法，對500+ 種類的噪音、上億級的噪音數據量進行深度學習，讓HUAWEI FreeBuds Pro能夠定向拾取人聲并加強，在高噪聲和風噪場景，通話降噪效果大幅提升。音質提升方面，HUAWEI FreeBuds Pro 2搭載的三重聽感優化算法，能夠實時動態檢測不同的耳道結構、佩戴狀態以及音量大小，智能計算并優化全頻段聽音效果。

藍牙編解碼技術升級：很多消費者在升級耳機之后，發現聽到的聲音并沒有很大的變化，這就要說到設備之外，另外兩個決定聽感的關鍵因素：

一是音源，如果播放的是MP3這類有損壓縮格式，那么設備再高級也很難達到高清效果，高解析度音源Hi-Res被認為音質超越CD，早在2018年，華為就率先提出了HWA（HiRes Wireless Audio）高音質藍牙協定，并作為HWA聯盟的發起方之一，投入大量資源來推動高清無線音頻的發展，讓用戶能聽到更優質的聲音；

二是傳輸，藍牙音頻傳輸過程要經歷兩次解碼和一次解碼，傳統的編解碼技術帶寬不足，在傳輸高解析音頻內容時會讓聲音劣化，造成音質損傷，以HUAWEI FreeBuds Pro 2為例，就結合華為自研L2HC及業界LDAC?雙高清音頻解碼，減少無線傳輸的延遲及音質損傷，原本的聲音是什么樣，聽到的就是什么樣，獲得了HWA及Hi-Res雙金標認證，率先實現HarmonyOS及Android雙生態高清音頻傳輸。

可以看到，從硬件、軟件到編解碼技術的全鏈路式解決方案，讓HUAWEI FreeBuds Pro 2劈開了深層創新的天花板，將TWS耳機的音質表現拉升到新的定義空間。

下一站，聆聽萬物的未來

TWS耳機的音質有那么重要，需要投入如此多的人力物力財力去鉆研嗎？回答這個問題前，或許我們可以回到一開始的科學原點，去思考一下數字時代聲音對于個人來說意味著什么：

一是新體驗。萬物互聯時代必然是多感官的沉浸體驗，互聯網發展至今的幾十年間，視覺體驗得到了空前的提升，大量關于網頁優化、算法推薦的新技術出現，已趨于飽和。人們需要處理大量視覺信息，注意力已經過載，更好的聲音和更少的壓縮可以讓我們花費更少的精力來取得更高的工作效率。圍繞聽覺維度展開的體驗競爭，將是接下來的重點。耳機把持著聽覺入口這一戰略位置，其體驗自然至關重要。目前，華為音頻技術，已經在大屏音響、平板PC和手機等產品上給消費者提供優質的音頻體驗。

二是新場景。很多場景下聽覺變得愈發重要，成為獲取新增長的變量之一。比如車內，有一個測試，小朋友們在車上往往會沒有安全感，導致家長不能專心駕駛，而科學家在車內加入了低頻沉穩的聲音，讓小朋友情緒穩定，能夠平穩地睡著。由此可見，車內聲音是非常有價值但尚未被真正開發的難點，今天大部分汽車的車載音頻設備還處于“能出聲”的階段，要達到享受聲音、觸碰人心的效果，還需要進一步創新。事實上，華為音頻音效技術已經開始上車，結合車輛場景，讓AITO汽車的乘客獲得更好的沉浸感，試聽感受到好評。

更好的科技應學會主動開辟新道路，為人類的美好生活而服務，數字時代也呼喚著新的聲學科技。

而華為能夠在聲學科技上走得更遠，以下幾方面的原因是有目共睹的：

1.長期投入的技術積淀。在研發上的持續投入是華為一直堅守的信念，華為在音頻領域集合全球超過七大研發中心能力，超過500人的聲學工程師團隊，其中上海音頻實驗室的每個細分實驗室投入都在百萬以上，從HUAWEI FreeBuds Pro 2的表現可以看出，華為在音頻方面的技術積累也開始轉化為明顯的產品優勢。

2.對用戶體驗的重視。以用戶為中心，在實驗室中盡最大能力去提升用戶體驗，聽取用戶反饋，已經融入華為技術研發的基因之中。

3.創新轉化的工程能力。技術創新到產品成果的轉化是一個環環相扣的過程，從實驗室不難看出華為音頻的精益求精和流程把控，最終打造出具有競爭力的產品力。

在TWS耳機進入主流視野的第六年，或許我們真正需要的創新就是這樣——理解并觸摸用戶的主觀感受與渴求，同時要向科學與技術中去尋求解決方案。

這是一條更艱難的創新之路，也是此后市場競爭的焦點所在，而華為又一次引領行業，倒逼TWS耳機進入新一輪良性進化。

敢于向科技更深處探尋，這或許是華為存在的最重要的意義，也將觸發下一段聲音科技之旅。