聲音骨傳導(dǎo)與骨傳導(dǎo)耳機

聲音骨傳導(dǎo)與骨傳導(dǎo)耳機.聲音骨傳導(dǎo)(boneconduction)的來源及原理聲音骨傳導(dǎo)這個概念普通群眾大多是從googleglass發(fā)布之后開始了解的，2013年2月googleglass發(fā)布以后，除了增加了手機無法實現(xiàn)的視覺功能外，其通過Boneconductiontransducer傳遞聲音的特殊方式引起了很多人的關(guān)注。其實聲音骨傳導(dǎo)在很久之前已經(jīng)有了較為成熟的原理體系，以及生活，醫(yī)療方面的實際應(yīng)用。早在上個世紀二，三十年代，Barany，Herzog等人就開始了骨傳導(dǎo)聲音的研究。而1950年，Pumphrey首次報道了人通過骨傳導(dǎo)可以感知到高達120kHz的超聲。骨傳導(dǎo)指頭部顱骨對音頻及高頻振動的響應(yīng)，傳遞及通過聽覺器官進行音頻信號的接收過程。一般情況下，人體獲取音頻信息的方式是聲音的空氣傳導(dǎo)。其過程為：耳廓將聲波信息收集起來—一音頻信息由外耳道傳入鼓膜一一鼓膜將振動傳給聽小骨一一振動信息傳至耳蝸及半規(guī)管一一處理后的信息進入神經(jīng)末梢一一神經(jīng)末梢信息進入大腦。而骨傳導(dǎo)則以頭骨及頜骨為聲音傳導(dǎo)的介質(zhì)，將信息直接傳播到中耳。而骨傳導(dǎo)之所以可以通過這樣特別的方式傳播音頻信息的原因是，包括可以刺激耳蝸(cochlea)的顳骨(temporalbone)在內(nèi)的顱骨是整個連接在一起的。通過骨傳導(dǎo)對耳蝸進行刺激的應(yīng)用已經(jīng)廣泛使用到了聽力檢測中，通過這種檢測可以辨別失聰?shù)膩碓词峭舛乐卸罁p傷，還是神經(jīng)細胞層面上的諸如感受器的損傷。骨傳導(dǎo)對于傳導(dǎo)性的聽力問題(conductivehearingloss)(即外耳道中耳道傳播環(huán)節(jié)失缺)是很有效的。骨傳導(dǎo)現(xiàn)在

也同樣在耳鳴治療中有一定的作用，比如長期性后效抑制（long-termresidualinhibition）。氣導(dǎo)插聲器當(dāng)人體的外耳及中耳病變時，骨傳導(dǎo)可以替代空氣傳導(dǎo)的部分功能。較為熟知的是貝多芬在失聰之后嘗試了喬瓦尼？菲利波?英格拉西亞的一個方法：咬著一根與鋼琴相連的棍子一一來重新獲得聲音繼續(xù)自己的創(chuàng)作；而在1923年，名為HugoGernsback的工程師就已經(jīng)開始以骨傳導(dǎo)為理論基礎(chǔ)制作助聽器了。到了現(xiàn)在，骨傳導(dǎo)發(fā)聲以耳機等方式實際地用于醫(yī)療行業(yè)及生活各方面。在2013年6月，德國廣播公司SkyDeutschland與廣告公司BBDO合作，還首次將骨傳導(dǎo)用于了商業(yè)廣告項目。他們將廣告以骨傳導(dǎo)的方式傳播給將頭靠在地鐵窗戶上的乘客，通過玻璃的振動將廣告信息傳播給潛在的消費者。氣導(dǎo)插聲器.聲音骨傳導(dǎo)與普通耳機一一優(yōu)勢與局限相對于普通耳機，骨傳導(dǎo)耳機整體有三方面的優(yōu)勢：其一.骨傳導(dǎo)省略了外耳的部分，因此外耳可以正常用于對外部環(huán)境的感知。這方面的優(yōu)勢體現(xiàn)在保證了使用者的安全性，例如處于公共環(huán)境時，使用者可以對外界的突發(fā)狀況作出及時反應(yīng)，同時保證了信息的保密性。其二.骨傳導(dǎo)中振動傳輸方式的特殊性保證了它有純凈的聲頻信息來源。這方面的優(yōu)勢體現(xiàn)在，噪聲較多的環(huán)境中，由于不需要通過調(diào)大音量與雜聲(Ambientnoise)競爭，耳機可以給人體帶來最低的物理性傷害，同時骨傳導(dǎo)設(shè)備消除了普通耳機的降噪環(huán)節(jié)，在體積上有一定的優(yōu)勢，技術(shù)上也降低了一定難度。更重要的是，在特殊環(huán)境中比如在水里，骨傳導(dǎo)耳機仍然可以正常使用。其三.由于不需要耳機塞及外部的頭戴式設(shè)備，骨傳導(dǎo)設(shè)備在長期佩戴時減少了不適感。但是由于從中耳開始，骨傳導(dǎo)的途徑與空氣傳導(dǎo)的相同，因此過大的音量依然會給聽力系統(tǒng)造成損傷。另一方面，相對于普通的耳機，骨傳導(dǎo)耳機仍然有著本質(zhì)上的劣勢。比起傳統(tǒng)的頭戴設(shè)備，骨傳導(dǎo)發(fā)聲存在更高的音頻失真，而失真帶來的問題對于骨傳導(dǎo)設(shè)備的發(fā)展有著致命性的抑制作用。其一.雖然人體在生活中同時接收著空氣傳導(dǎo)及骨傳導(dǎo)兩方面的聲音來源，但是空氣的聲源依然是最主要的，甚至于我們?nèi)粘８倔w會不到來自“骨頭”的發(fā)聲。雖然在咀嚼，自身發(fā)聲時會較明顯地體會到骨傳導(dǎo)的聲音，但是我們接收音頻信息的主要方式還是來自空氣音頻傳導(dǎo)。所以當(dāng)音頻信息以骨傳導(dǎo)的方式進入人體時，會由于缺少傳統(tǒng)的外耳道反射體共振腔等，造成一定的不適應(yīng)感，同時由于骨導(dǎo)音介質(zhì)(顱骨)的特殊性，通過顱骨傳出的聲音在中頻上會有所加強，而在低頻高頻上會有衰減現(xiàn)象，骨傳導(dǎo)音頻的質(zhì)量上會有一定的弱化。舉個例子，我們自己聽自己的聲音時就和與錄下來的不一樣。這種對聲音改變的不適應(yīng)感是全方位覆蓋性的，因此對于骨傳導(dǎo)設(shè)備的后期加工有一定的要求。其二.骨傳導(dǎo)耳機在音質(zhì)及表現(xiàn)力上相對于普通的耳機有著很大的劣勢，有效頻響范圍狹窄，大體在300?3000Hz，中頻(800?2500Hz)的表現(xiàn)力較好，但是對于低音及高音就難以與普通的優(yōu)質(zhì)耳機相比較。而現(xiàn)在的普通耳機有著很成熟的生產(chǎn)體系及具體改進渠道，種類豐富的耳機能滿足絕大多數(shù)人對于音質(zhì)的要求，骨傳導(dǎo)耳機雖然與普通耳機之間沒有絕對的敵對關(guān)系，但是使用者會希望在普通耳機上獲得的優(yōu)質(zhì)體驗在骨傳導(dǎo)耳機上得到一定的響應(yīng)。其三.由于市場較小，研發(fā)代價大，使用受眾狹窄，骨傳導(dǎo)產(chǎn)品沒有數(shù)量足夠多的優(yōu)秀生產(chǎn)廠商開發(fā)，同時競爭環(huán)境不成熟，未來的發(fā)展較為緩慢。氣導(dǎo)音的頻率接收上限是20kHz，而骨導(dǎo)音的頻率接受上限可以延伸到至少100kHz。而包括時域有限差分法在內(nèi)的各種實驗表明骨傳導(dǎo)在超聲激勵上的傳輸能力比音頻的激勵更強。由于骨傳導(dǎo)在音頻域上的優(yōu)越性讓人們同時也將其稱為“超聲骨傳導(dǎo)”(bone-conductedultrasound,BCU)但這并不意味著骨導(dǎo)音在音域上存在更絕對的優(yōu)越性。人們通過骨傳導(dǎo)感知到的聲音音調(diào)和實際的頻率沒有直接的關(guān)系，而且BCU的動態(tài)范圍小于空氣傳導(dǎo)聲。事實上，對于骨傳導(dǎo)聲音的調(diào)試有著天然性的難度，這是因為人腦結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性會導(dǎo)致測試音頻數(shù)據(jù)的難以精確偵測。實驗中純粹的干燥人頭骨可接受2—52kHz的音頻頻率范圍信號的接收。但是雖然頭骨可傳導(dǎo)的音頻頻域較廣，卻存在復(fù)雜的共鳴及反共鳴現(xiàn)象，共鳴反共鳴感受點在方位上有著微小的不同，在不同的顱骨中也有差距。對比純粹的顱骨，人腦對于音頻信號有著更高的衰減性，更不明顯的共鳴及反共鳴現(xiàn)象同時有更強的反射衰減。活的人類腦部及顱骨對于音頻信號傳遞的衰減現(xiàn)象并沒有隨著音頻頻率的增高而增加，但是會深受大范圍頻率內(nèi)音頻的共振現(xiàn)象影響。最早使用骨傳導(dǎo)技術(shù)的醫(yī)療行業(yè)，早期認為顱骨對于振動的頻響反應(yīng)會隨著頻率的升高有著伴有一定權(quán)重系數(shù)的平穩(wěn)變化，但是后來發(fā)現(xiàn)，這只能在低于5kHz的頻率范圍內(nèi)有效。高于約4kHz之后，顱骨對于頻響反應(yīng)及共振現(xiàn)象有著很大的不確定性：對人聲的共振現(xiàn)象變得十分明顯，音頻信息會隨著感受器的傳播方向的變化有差異。這是骨傳導(dǎo)耳機研發(fā)難度大的原因之一，雖然正常的生活中骨導(dǎo)音可傳遞的音頻信號范圍更加廣泛，這類的頻率響應(yīng)對于日常交流也已經(jīng)足夠了，但是對于更多諸如對音頻變化多端的音樂的需求，骨傳導(dǎo)耳機就很難滿足了。以下是關(guān)于頭骨對于振動的反應(yīng)特性實驗。為了更加形象地表現(xiàn)出頂骨的振動特點：通過matlab制作頭部振動的三維模型后，可以更直觀地看到實驗的結(jié)果。實驗給予頭部特定的振動頻率來檢測頭骨各點共振與反共振的情況。圖像1，2分別顯示出，在給予，的音頻振動下，頭骨對于刺激的反應(yīng)，其中箭頭所指的方向是給予的刺激點位置，右側(cè)為顱骨的前端。由圖像可以很明顯地看到在高頻下，頭骨顯現(xiàn)出的共振頻率分布較為寬廣，藍色和紅色均有一定呈現(xiàn)，而在之下，顱骨對于低頻的共鳴現(xiàn)象更為明顯。而圖像2,3則比較出了不同的顱骨對于相同層次的音頻有著無相似性的共振現(xiàn)象。圖1圖2圖1圖2圖3.聲音骨傳導(dǎo)的實際應(yīng)用一般用途產(chǎn)品一一免持式頭戴設(shè)備或耳機此類產(chǎn)品常見的為運動式耳機。以DamsonAudio的DAHB01RE,Aftershokz公司的AS500無線藍牙耳機等為例，由于跑步時人體受到外界噪聲影響較大，使用一般的耳機會對外耳道器官造成損傷，因此對于長期運動的人來說，使用此類骨傳導(dǎo)耳機是一項很好的保護措施。而較為新穎的是以GOOGLEGLASS為典型的諸多頭戴式設(shè)備(head-mounteddevice)。醫(yī)護用具一一助聽器骨傳導(dǎo)耳機可以用于傳導(dǎo)性聽力障礙者，氣導(dǎo)助聽器無效患者，及外耳道有相應(yīng)疾病的患者。比如日本的TEAC(第一音響)公司2007年發(fā)布了HP-F100Filltune耳機，該耳機將聲音的振動施加于人體的皮膚和骨頭，將其直接地傳送到內(nèi)耳而使其直接感受到聲音。特殊場合下的交流產(chǎn)品由于骨傳導(dǎo)途徑的特殊性，在水下及噪聲污染嚴重的場合（工廠，公共場所）下可以使用骨傳導(dǎo)設(shè)備。這在軍事上有著較為重要的體現(xiàn)，軍方是最早一批使用骨傳導(dǎo)技術(shù)的群體。他們在戰(zhàn)場上使用諸如Invisio公司的耳后式頭戴設(shè)備進行通訊，這既保證了可以清晰地獲取發(fā)送方的信息，同時可以很好地應(yīng)對外部的突發(fā)狀況。而目前煤礦應(yīng)急救援中，針對在救援環(huán)境中噪聲干擾嚴重，語音質(zhì)量差，救援人員需佩戴氧氣面罩的問題，骨傳導(dǎo)耳機也有著突破性的幫助。.未來的發(fā)展推想音質(zhì)骨傳導(dǎo)耳機目前需要解決的音質(zhì)問題表現(xiàn)在低頻音域，而現(xiàn)在已有較為成熟的理論技術(shù)支持其低音方面的提升，比如吉林大學(xué)與浙江師范大學(xué)提出的彈性支撐式電骨傳導(dǎo)聽覺裝置，可提升中低頻的響度至60?70dB。具體的響頻特性曲線為：可以看出在高音區(qū)響頻特性優(yōu)秀的情況下，低頻方面也有很好的表現(xiàn)力。與頭戴式設(shè)備融合FaceBook創(chuàng)始人馬克.扎克伯格在一次采訪中提出了他對于頭戴式設(shè)備的看法：“增強現(xiàn)實設(shè)備將變得很強大，但這種技術(shù)依然處于嬰兒期?！爆F(xiàn)在存在很多的頭戴式ARVR設(shè)備，比如Oculus的RiftDK2,索尼的HMZ-T3W，蟻視公司的各類眼鏡，這些頭戴式設(shè)備雖然可以提供無與倫比的感官體驗，但是技術(shù)并不十分成熟，沒有廣泛的市場及統(tǒng)一的產(chǎn)品衡量標準，存在設(shè)備沉重，不易攜帶，價格高昂的缺點。而骨傳導(dǎo)作為一項在此市場未拓展開的技術(shù)，可以通過省略降噪環(huán)節(jié)及耳機部分在一定程度上減小其體積質(zhì)量。加之已有韶音等開發(fā)骨傳導(dǎo)運動耳機的公司，相信通過技術(shù)的融合此類設(shè)備會有更進一步的發(fā)展。REFERENCES:.《BoneConduction》《Boneconductionauditorybrainstemresponse》fromWikipedia.《BestBoneConductionHeadphonesof2015:ACompleteGuide》fromEverydayHearing.