传统耳机回顾

      耳机的应用场景简单可以划为两个维度：安静环境和嘈杂环境；听音乐和受送语音信息。由此可以构成四个象限，传统非便携式的耳机产品往往是落在其中一个象限中。
      主打通讯的UC耳机(Headset)，一般以轻便可长久佩戴，受送话清晰为主，所以单声道，透气开放，重量轻，头戴夹力小是主要方向，主要的玩家是Jabra和Plantronics。
      主打安静家用的耳机，一般会选择开放的能包括耳廓散射特性的耳机，这样耳机的还原性更优。这类耳机（Headphone）中存在过一个奇葩：AKG K1000，严格说应该叫做头戴扬声器（Headspeaker），这个产品是把声学还原的地位无限提高到凌驾于舒适、好用等其他维度。
      主打噪声环境下通讯的耳机，一般只能选择封闭式的设计。这里有轻度噪声和严重噪声两类场景，像机舱内使用时，隔声消噪的需求会是第一位的，耳机可以设计的笨重，夹力大，通话会采用近嘴的指向性麦克风，典型的产品就是bose A20。而在轻度噪声环境下的耳机，舒适和降噪会控制在一个合适的范围，如何取舍是一个很难衡量的问题。
      而主打噪声环境下听音乐的耳机，一般也只能选择封闭式设计。典型的有两类产品，一类是监听耳机，一类是主打消费类市场的主动降噪耳机。除了图中的头戴耳机之外，还存在入耳式这个形态。

苹果airpods pro2在便携耳机的中心地位

      随着手机及无线技术的普及，便携式耳机产品在消费市场成为主流，便携就意味着多场景应用。我们再来分析如上四个象限中产品的特性：
      1、 听音乐要求的特性是声音的可再现性，这里可再现不是说简单的把耳机放到一个标准设备上测试下看看曲线那么简单，在不同的真实耳朵上都能听到类似的声音本身这是第一步，后面才有目标曲线。而音乐重放中又有些新的趋势，音源不再仅仅是传统的双声道立体声，所以空间音频等新技术应用会让音乐性体验再次提升。
      2、 安静环境下长久使用的耳机的特性应该是开放、无感的。最佳的通透最好是无接触的，再次之有接触是无感的。但这个无感的需求是因人而异，舒适是产品设计中最难的一点。但是有一个最低限度的要求：人无需摘下耳机还可以和人正常沟通交流。满足这个要求的可以是完全开放不隔声的形态，也可以是采集外界声音重放的通透模式。
      3、 受送信息要求的特性是送受话清晰。语音的频带不如音乐的频带宽，得益于人耳自然训练进化出来的各类特性，比如鸡尾酒会效应，哈斯效应，伦巴效应等等这些自然语音增强技术，我们只要再辅助一些信号处理技术就可以让我们的送话和受话可以比较清晰。随着现代技术的发展，送话不仅是给人听，还会给机器听，和机器设备有交互，发送信息就存在两类对象，他们应该有两条通道。
      4、 在噪声环境下使用的耳机需要的主要特性就是隔声消噪。这个存在两种需求：一个是听力保护意义下的隔声消噪，这个需求是以隔声量插入损失为评价指标的；另一个被忽略的需求是要解决噪声环境下听或说的问题。由于掩蔽效应的存在，在噪声环境中听音音量不得不增大，所以封闭式设计几乎成了必备的选择。
      比较有意思的是我们发现苹果的airpods pro几乎完美的符合了如上四个需求，通透和降噪模式刚好可以对应安静和嘈杂环境下的需求，在听音乐和受送信息这两点上它做得也还不错。这个产品的出现迅速占据了便携式消费类耳机的中心位置，成为一个几乎是全场景适合使用产品。唯一让人遗憾的是，部分人对入耳式这个形态天生的排斥，原因大体来自于两个方面：一是耳道需要用硅胶耳塞塞住以达到很好的密封效果，耳道的侵入受力会让人不舒服；二由于耳道处于密封状态下，不够透气会容易滋生细菌，引起耳道疾病。那么针对于这类人群是否存在一个处于中心位置的产品？

是否有非入耳形态产品能占据便携耳机中心地位？

    1、半入耳或当前半入耳降噪耳机

首先进入我们视野的耳机是苹果自己的半入耳式耳机，这个形态的真无线耳机苹果出了两代，而且我们惊讶的发现这种形态的产品比入耳式的销量更大。再考虑到市面上大量的白牌或仿苹果的半入耳耳机的销量，也许半入耳的耳机才是真正的主流。大部分人对音质的分辨能力其实并没有那么强，大部分人会更偏好半入耳耳机的舒适性，大部分人对降噪其实并没有太大的需求，大部分人对价格更敏感。但是不可否认的是半入耳式耳机在舒适和声音的天平上倾向了舒适，airpods 3相较于airpods实际上是把天平稍稍向声音倾斜了一点。而半开放的耳机在嘈杂环境下音量不足的问题限制了半入耳式耳机的全场景使用。

      某国内手机大厂在耳机领域可以说是苹果忠实的追随者，但他也毫不掩饰自己在耳机领域里超越苹果的野心，他们看准了苹果半入耳式耳机在嘈杂环境下音量不足的问题，试图把主动降噪加入到半入耳式耳机。其先后推出了3代半入耳降噪耳机，从第一代的概念产品到目前第三代，每一代的进步都是巨大的。还有一个半入耳降噪的先驱是另一家国外知名手机品牌，其大概是在2019年初推出的他们自适应的半开放降噪耳机，但这款产品的降噪性能普遍认为是不合格的，到目前为止并未见到有新一代产品更新。

      半入耳耳机声音的主要特点是跟人的佩戴密切相关，不同的人听到的声音会有显著的差异。而降噪耳机既希望有较高的输出声压以便与外界噪声相抵消，又希望声学条件尽量是稳定的。而主流的做法就是如何扩大喇叭的振动面积，尽量做到和耳道贴合。这种设计更像是把硅胶耳塞取消了的入耳式耳机，主流是更接近入耳式的半入耳降噪耳机。入耳式降噪耳机的设计思路几乎完全移植到半入耳降噪耳机中来。佩戴较松的条件下音质或降噪的体验会迅速下降是目前半入耳降噪耳机的主要问题。

2、骨传导或外开放耳机

      再来看几个这几年形态上比较有特点，而且市场在显著增长的耳机产品。骨导耳机和不入耳的开放耳机。骨导耳机一直是在自行车运动或游泳运动两个细分领域里独占鳌头的品类。这是便携式开放耳机领域最早被接受的产品形态，但音质一直是其被诟病的缺点。尤其是缺乏低频，一直被Hi-fi圈给剔除在外。其实还有一个问题一直是被避而不谈的或被误导的，骨导耳机在嘈杂环境下音量是不足的。无论是气导声还是骨导声都是可以被周围的大音量所掩蔽的，骨导耳机甚至会在包装中配送一对隔音耳塞以便扩展它的使用场景。

      对骨导形成很大冲击的另一个品类是气导型开放耳机。这类耳机对照于AKG K1000从本质上讲我更愿意叫他们头戴近场扬声器或外放式耳机。他有着比骨导耳机更优秀的低频响应又兼具了骨导耳机开放透气的特点，同时在稳固性较半入耳式耳机有较大优势，在运动品类中迅速走红。这类开放形态虽然音质优于骨导，但受限于发声单元的尺寸，其低音相较于入耳或半入耳产品来说还是有较大差距，这个和便携式小音箱面临的是同样的问题，解决的办法几乎是照搬过来，除了特别低端的产品外，DRC是提升外放式耳机的必备配置。嘈杂环境下需要开大音量，一方面会带来严重的漏音问题，另一方面即使开到最大音量目前大多数外放式耳机音量还是显得不足。漏音问题目前可用的方法手段其实不多，宣传中常见的话术是定向声技术，但对于单个发声单元做定向声只有采用偶极子设计这种手段，真正能做好的产品并不多见。而嘈杂环境下音量不足的问题只能靠如何把外放离耳道更近或者加大功率加大单元灵敏度的方法，但目前来看难度极大。
      外放式耳机的走红，分走了半入耳市场的部分份额，并不能证明它会是趋势，只能说部分人群对开放稳固的需求大于对音质的需求。对于不习惯入耳式耳机的人群来说，偏开放但同时有一定降噪能力的耳机是可以占据便携耳机产品的中心位置的。

      我们选择相信华为的技术路线，但我们还需要继续改善半开放耳机声音和佩戴关联太大的问题。

半入耳开放降噪耳机的声音设计

半入耳式耳机好声音的设计实现（一）

      我们虽然试图让半入耳式耳机和耳道舒适贴合，但相较于入耳式产品来说，耳机和耳道之间的缝隙（黄色箭头所示）是因人而异，因佩戴的松紧而异。传统的半入耳耳机的通用做法是在耳机前腔开一个可控泄漏（蓝色箭头所示）以平衡不同的泄漏状态，但实际使用中我们发现，当我们佩戴较贴合时，有可能会堵住这个泄漏。我们有了使半入耳耳机声音更稳定的第一个思路：增加可控泄漏的通道数。

      为了确保半入耳耳机的音质具有一定的水准，需要一些较较常用的腔体设计手段。比如独立的后腔设计，低音管设计。而麦克风将来主要是用来监测耳道内的声学特性以便后续的算法应用，其位置也较为关键。为了足够的低音，我们一般尽量选择较大的喇叭单元。耳机还是希望尽量能和耳道较好贴合。这些要求之下对产品的实现提出了较为苛刻的要求，经过较长时间的尝试，我们很好的实现了。

      我们把第二条可控泄漏设置在从前腔通往耳机后腔的外面，由于可能的佩戴缝隙较大，我们把这条可控泄漏几乎完全打开了。有意思的是，这个设计和中间开孔的开放式耳机呼应开来。我们的声学架构就被描述为：半入耳的外形，内部开放的内核。
半入耳式开放耳机好声音的设计实现（二）     
      在完成了耳机声学架构后还并不足以能完全解决耳机因佩戴不稳定的问题，我们只是更稳定了一点，下一个改善来源于数字信号处理。
      在真人上做了大量测试之后，我们确实证实了我们的腔体设计在应对不同人的佩戴上具有了一定的优势，同时也证实了我们的麦克风处采集到的声信号和耳道内的声信号具有良好的映射关系。这样我们可以很好的预测到当前耳机的佩戴泄漏状况以及不同的耳道条件。这就为我们自适应调节音乐重放或降噪处理提供了良好的基础。

      半入耳降噪的另一大挑战依旧来源于硬件的限制，由于我们采取了内部开放的设计，实际上我们在低频的线性重放的动态范围存在着不足，我们能够降噪的范围大概是100Hz-2000Hz的区间。相较于入耳式耳机来说，降噪时低频需要较大的增益，当外界噪声低频含量过大时，有可能会超出我们系统的线性范围。根据场景噪声的不同，我们需要做合理的处理以保证系统不变坏。
      我们的自适应降噪系统是可以匹配泄漏不同、耳道不同和场景不同的。需要特别指出的是由于采纳了内部开放的声学设计，我们的半入耳降噪耳机有别于更像入耳式的半入耳降噪耳机的设计，我们几乎是没有任何隔声的，所以我们是天生的通透耳机。而开放式降噪的目的是为了解决嘈杂环境下音量不足问题的，提升的是信噪比，很难和封闭式的降噪耳机做比较。

半入耳耳机佩戴稳固性设计

      外放式耳机能够蚕食部分半入耳式耳机市场份额的原因是，外放式耳机一般采取的耳挂式设计，其稳固性要优于常见的半入耳式耳机，比较适合运动的场景。而市面上大多数半入耳式耳机的外形几乎都不能摆脱苹果半入耳耳机的影子。市面上的半入耳式耳机几乎都是一个圈和一个棍的结构。耳机头部是入耳部分，来自于大量实测数据的总结和平均，这部分几乎没人可以做出大的改变，而棍子起到了定位作用，可以更加稳固的支撑耳机在耳夹腔内。
 

        为了使耳机佩戴稳固性，我们首先需要耳机的重心需要落在耳夹腔内，棍改成弧形支撑面。对于部分耳夹腔较大的人群，仅仅这两点还不足以保证耳机能稳固佩戴，我们又选择了三个尺寸的耳翼作为另一个支撑点。得益于我的ID设计，即使是较为剧烈的运动我们也可以保证大部分人能够较稳固的佩戴我们的耳机。

耳机的其他设计考量

与众不同，考虑到半入耳耳机外观同质化严重，我们的半入耳耳机的外观具有显著的差异性。
底噪设计。考虑到电池和喇叭同轴摆放时,电池内部变化的环向电流可以让喇叭线圈产生感应电流，造成底噪。我们采取了让电池和喇叭的轴线相互垂直的堆叠。
通话降噪。由于希望我们的耳机是适合更多场景应用的产品，双麦通话降噪成为我们基本的选项。
防堵孔设计。为防止手指或脸部皮肤接触到麦克风出声孔导致降噪或通话出现缺陷，我们采用了弧形条状凹陷防堵孔的设计。

产品的最终实现

      这款产品从最初的概念到ID确认，花了近四个月时间，中间打印的版本有几十个之多。设计师兼任了产品经理，声学架构兼任了研发管理，对产品完成度要求精益求精。过程中遇到了大多数小创业公司在制造业中遇到的各类困境，10个人的小团队花费两年时间花费千万级人民币的成本才勉强打造了这么一款我们基本还算满意的产品。
      与其说我们在做一款产品，倒不如说我们在打造一个作品，而我们希望这个作品展现我们对美学以及耳机声学的一种坚持。

写在最后：20年到23年短短三年多的时间我们见证了耳机行业走向巅峰并走向红海的过程。而Freenod Pro的产品研发及制造过程让我们对硬件产品对制造业更为敬畏，但同时我们深信创新不停，未来必有我们一席之地。
三省声学简单作个自我介绍：我们是一个在耳机声学领域具有深厚底蕴和技术储备的公司，主要给（耳机）声学相关领域上下游的公司提供声学技术培训和服务，三年间主要给包括通力电子、Jabra、讯飞、瑞森新谱、聆思科技等公司从研发测试到生产测试，从消费耳机、专业UC耳麦到航空耳麦，从芯片架构算法到声学腔体设计提供专业的声学技术服务。
而产品Freenod Pro是三省声学和Nod Studio联合设计开发的一款半入耳式开放降噪耳机。由于Nod Studio国内商标注册未能通过，国内先开通了微店平台可以让大家尝尝鲜。预计我们国内品牌爻（yáo）韵近期会在京东上线。