声音骨传导与骨传导耳机

声音骨传导与骨传导耳机1.声音骨传导（boneconduction）的来源及原理声音骨传导这个概念普通群众大多是从googleglass发布之后开始了解的，2013年2月googleglass发布以后，除了增加了手机无法实现的视觉功能外，其通过Boneconductiontransducer传递声音的特殊方式引起了很多人的关注。其实声音骨传导在很久之前已经有了较为成熟的原理体系，以及生活，医疗方面的实际应用。早在上个世纪二，三十年代，Barany，Herzog等人就开始了骨传导声音的研究。而1950年，Pumphrey首次报道了人通过骨传导可以感知到高达120kHz的超声。骨传导指头部颅骨对音频及高频振动的响应，传递及通过听觉器官进行音频信号的接收过程。一般情况下，人体获取音频信息的方式是声音的空气传导。其过程为：耳廓将声波信息收集起来——音频信息由外耳道传入鼓膜——鼓膜将振动传给听小骨——振动信息传至耳蜗及半规管——处理后的信息进入神经末梢——神经末梢信息进入大脑。而骨传导则以头骨及颌骨为声音传导的介质，将信息直接传播到中耳。而骨传导之所以可以通过这样特别的方式传播音频信息的原因是，包括可以刺激耳蜗（cochlea）的颞骨（temporalbone）在内的颅骨是整个连接在一起的。通过骨传导对耳蜗进行刺激的应用已经广泛使用到了听力检测中，通过这种检测可以辨别失聪的来源是外耳道中耳道损伤，还是神经细胞层面上的诸如感受器的损伤。骨传导对于传导性的听力问题（conductivehearingloss）（即外耳道中耳道传播环节失缺）是很有效的。骨传导现在也同样在耳鸣治疗中有一定的作用，比如长期性后效抑制（long-termresidualinhibition）。当人体的外耳及中耳病变时，骨传导可以替代空气传导的部分功能。较为熟知的是贝多芬在失聪之后尝试了乔瓦尼•菲利波•英格拉西亚的一个方法：咬着一根与钢琴相连的棍子——来重新获得声音继续自己的创作；而在1923年，名为HugoGernsback的工程师就已经开始以骨传导为理论基础制作助听器了。到了现在，骨传导发声以耳机等方式实际地用于医疗行业及生活各方面。在2013年6月，德国广播公司SkyDeutschland与广告公司BBDO合作，还首次将骨传导用于了商业广告项目。他们将广告以骨传导的方式传播给将头靠在地铁窗户上的乘客，通过玻璃的振动将广告信息传播给潜在的消费者。2.声音骨传导与普通耳机——优势与局限相对于普通耳机，骨传导耳机整体有三方面的优势：其一.骨传导省略了外耳的部分，因此外耳可以正常用于对外部环境的感知。这方面的优势体现在保证了使用者的安全性，例如处于公共环境时，使用者可以对外界的突发状况作出及时反应，同时保证了信息的保密性。其二.骨传导中振动传输方式的特殊性保证了它有纯净的声频信息来源。这方面的优势体现在，噪声较多的环境中，由于不需要通过调大音量与杂声（Ambientnoise）竞争，耳机可以给人体带来最低的物理性伤害，同时骨传导设备消除了普通耳机的降噪环节，在体积上有一定的优势，技术上也降低了一定难度。更重要的是，在特殊环境中比如在水里，骨传导耳机仍然可以正常使用。其三.由于不需要耳机塞及外部的头戴式设备，骨传导设备在长期佩戴时减少了不适感。但是由于从中耳开始，骨传导的途径与空气传导的相同，因此过大的音量依然会给听力系统造成损伤。另一方面，相对于普通的耳机，骨传导耳机仍然有着本质上的劣势。比起传统的头戴设备，骨传导发声存在更高的音频失真，而失真带来的问题对于骨传导设备的发展有着致命性的抑制作用。其一.虽然人体在生活中同时接收着空气传导及骨传导两方面的声音来源，但是空气的声源依然是最主要的，甚至于我们日常根本体会不到来自“骨头”的发声。虽然在咀嚼，自身发声时会较明显地体会到骨传导的声音，但是我们接收音频信息的主要方式还是来自空气音频传导。所以当音频信息以骨传导的方式进入人体时，会由于缺少传统的外耳道反射体共振腔等，造成一定的不适应感，同时由于骨导音介质（颅骨）的特殊性，通过颅骨传出的声音在中频上会有所加强，而在低频高频上会有衰减现象，骨传导音频的质量上会有一定的弱化。举个例子，我们自己听自己的声音时就和与录下来的不一样。这种对声音改变的不适应感是全方位覆盖性的，因此对于骨传导设备的后期加工有一定的要求。其二.骨传导耳机在音质及表现力上相对于普通的耳机有着很大的劣势，有效频响范围狭窄，大体在300~3000Hz，中频（800~2500Hz）的表现力较好，但是对于低音及高音就难以与普通的优质耳机相比较。而现在的普通耳机有着很成熟的生产体系及具体改进渠道，种类丰富的耳机能满足绝大多数人对于音质的要求，骨传导耳机虽然与普通耳机之间没有绝对的敌对关系，但是使用者会希望在普通耳机上获得的优质体验在骨传导耳机上得到一定的响应。其三.由于市场较小，研发代价大，使用受众狭窄，骨传导产品没有数量足够多的优秀生产厂商开发，同时竞争环境不成熟，未来的发展较为缓慢。气导音的频率接收上限是20kHz，而骨导音的频率接受上限可以延伸到至少100kHz。而包括时域有限差分法在内的各种实验表明骨传导在超声激励上的传输能力比音频的激励更强。由于骨传导在音频域上的优越性让人们同时也将其称为“超声骨传导”（bone-conductedultrasound,BCU）但这并不意味着骨导音在音域上存在更绝对的优越性。人们通过骨传导感知到的声音音调和实际的频率没有直接的关系，而且BCU的动态范围小于空气传导声。事实上，对于骨传导声音的调试有着天然性的难度，这是因为人脑结构的复杂性会导致测试音频数据的难以精确侦测。实验中纯粹的干燥人头骨可接受2—52kHz的音频频率范围信号的接收。但是虽然头骨可传导的音频频域较广，却存在复杂的共鸣及反共鸣现象，共鸣反共鸣感受点在方位上有着微小的不同，在不同的颅骨中也有差距。对比纯粹的颅骨，人脑对于音频信号有着更高的衰减性，更不明显的共鸣及反共鸣现象同时有更强的反射衰减。活的人类脑部及颅骨对于音频信号传递的衰减现象并没有随着音频频率的增高而增加，但是会深受大范围频率内音频的共振现象影响。最早使用骨传导技术的医疗行业，早期认为颅骨对于振动的频响反应会随着频率的升高有着伴有一定权重系数的平稳变化，但是后来发现，这只能在低于5kHz的频率范围内有效。高于约4kHz之后，颅骨对于频响反应及共振现象有着很大的不确定性：对人声的共振现象变得十分明显，音频信息会随着感受器的传播方向的变化有差异。这是骨传导耳机研发难度大的原因之一，虽然正常的生活中骨导音可传递的音频信号范围更加广泛，这类的频率响应对于日常交流也已经足够了，但是对于更多诸如对音频变化多端的音乐的需求，骨传导耳机就很难满足了。以下是关于头骨对于振动的反应特性实验。为了更加形象地表现出顶骨的振动特点：通过matlab制作头部振动的三维模型后，可以更直观地看到实验的结果。实验给予头部特定的振动频率来检测头骨各点共振与反共振的情况。图像1，2分别显示出，在给予7.3KHz，41.4kHz的音频振动下，头骨对于刺激的反应，其中箭头所指的方向是给予的刺激点位置，右侧为颅骨的前端。由图像可以很明显地看到在高频下，头骨显现出的共振频率分布较为宽广，蓝色和红色均有一定呈现，而在7.3KHz之下，颅骨对于低频的共鸣现象更为明显。而图像2,3则比较出了不同的颅骨对于相同层次的音频有着无相似性的共振现象。图1图2图33.声音骨传导的实际应用3.1一般用途产品——免持式头戴设备或耳机此类产品常见的为运动式耳机。以DamsonAudio的DAHB01RE，Aftershokz公司的AS500无线蓝牙耳机等为例，由于跑步时人体受到外界噪声影响较大，使用一般的耳机会对外耳道器官造成损伤，因此对于长期运动的人来说，使用此类骨传导耳机是一项很好的保护措施。而较为新颖的是以GOOGLEGLASS为典型的诸多头戴式设备（head-mounteddevice）。3.2医护用具——助听器骨传导耳机可以用于传导性听力障碍者，气导助听器无效患者，及外耳道有相应疾病的患者。比如日本的TEAC（第一音响）公司2007年发布了HP-F100Filltune耳机，该耳机将声音的振动施加于人体的皮肤和骨头，将其直接地传送到内耳而使其直接感受到声音。3.3特殊场合下的交流产品由于骨传导途径的特殊性，在水下及噪声污染严重的场合（工厂，公共场所）下可以使用骨传导设备。这在军事上有着较为重要的体现，军方是最早一批使用骨传导技术的群体。他们在战场上使用诸如Invisio公司的耳后式头戴设备进行通讯，这既保证了可以清晰地获取发送方的信息，同时可以很好地应对外部的突发状况。而目前煤矿应急救援中，针对在救援环境中噪声干扰严重，语音质量差，救援人员需佩戴氧气面罩的问题，骨传导耳机也有着突破性的帮助。4.未来的发展推想音质骨传导耳机目前需要解决的音质问题表现在低频音域，而现在已有较为成熟的理论技术支持其低音方面的提升，比如吉林大学与浙江师范大学提出的弹性支撑式电骨传导听觉装置，可提升中低频的响度至60~70dB。具体的响频特性曲线为：可以看出在高音区响频特性优秀的情况下，低频方面也有很好的表现力。与头戴式设备融合FaceBook创始人马克.扎克伯格在一次采访中提出了他对于头戴式设备的看法：“增强现实设备将变得很强大，但这种技术依然处于婴儿期。”现在存在很多的头戴式ARVR设备，比如Oculus的RiftDK2，索尼的HMZ-T3W，蚁视公司的各类眼镜，这些头戴式设备虽然可以提供无与伦比的感官体验，但是技术并不十分成熟，没有广泛的市场及统一的产品衡量标准，存在设备沉重，不易携带，价格高昂的缺点。而骨传导作为一项在此市场未拓展开的技术，可以通过省略降噪环节及耳机部分在一定程度上减小其体积质量。加之已有韶音等开发骨传导运动耳机的公司，相信通过技术的融合此类设备会有更进一步的发展。REFERENCES:1.《BoneConduction》《Boneconductionauditorybrainstemresponse》fromWikipedia2.《BestBoneConductionHeadphonesof2015:ACompleteGuide》fromEverydayHearing3.ZhiCai,M.S.,DouglasG.Richards,PhD,MartinL.Lenhardt,Ph.D.,Au.D.,AlanG.Madsen,B.S.《ResponseofHumanSkutoBoneConductedSoundintheAudiometrictoUltrasonicRange》4.吕磊《骨传导技术及其应用》5.曾平等《弹性支撑式压电骨传导听觉装置》6．罗怡珊汪源源等《骨传导超声与骨传导音频的特性比较》7.MicroComputer2015年2月上《头戴式VR设备市场消费分析》