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意想不到,这项技术未来将打破国外垄断

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硬件
作者:马渭淞
编辑:林泽玲 常亮 2022-03-08 14:12
随着中国企业不断构建自己的底层技术,布局专利,走向产业的上游位置也只是时间问题。

除了传统的“三大件”,如今人们在购车过程中更关注什么呢?

据美国分析公司Counterpoint统计,除了发动机、变速箱以及汽车底盘等汽车传统“大件”外,消费者越来越重视驾驶的舒适感:

人们对车内噪音的耐性越来越低。40分贝的要求,使得消费者将车内噪音的期望值拉到了一个新高度——低于正常的交谈声。

为此,加装防震设备、隔音材料,甚至是在发动机处安装降噪麦克等物理降噪方式,如今已是“常规操作”,但在实际应用过程中,这种解决方式依旧是治标不治本。

南安普顿大学工程物理学教授Steve Elliott在其论文“Active Noise Control”中指出,汽车的噪音以低频噪音为主,这种类型的噪音声波更长。正常条件下,频率为100赫兹的噪音在空气中的波长约为3.4米,一般的吸音降噪手段难以奏效。

因此,在面对难以解决的噪音问题时,“攻城狮”们祭出了科技这把“利刃”,通过将主动降噪技术(ANC)加持到汽车制造,使得人类在“降噪”这场角斗中占据先机。

据Counterpoint统计,如今,主动降噪技术在汽车工业领域的应用已经铺开,72%的量产车已经加装了该技术。此外,亿欧智库发布的《中国声学+主动降噪技术应用研究报告》(以下简称《报告》)也显示,随着主动降噪TWS耳机兴起、家电降噪起步放量,主动降噪技术正被推向更多的应用场景,预计该市场规模在2023年将达到800亿人民币。

面对巨大的市场,全球范围内众多企业为利趋之、纷纷向产业上游进发已成事实。那么在这个诞生于西方的技术生态中,中国企业又能分得几成呢?

主动降噪技术,真香!

“人类与噪音的斗争史可以追溯到原始社会,打雷时吓得捂住耳朵也算是人类最早的主动降噪手段。”新西兰奥克兰大学媒体学教授Nabeel Zuberi对亿欧EqualOcean表示。

从生理学观点来看,凡是干扰人们休息、学习和工作的声音可统统可称为噪声。

但说到利用降噪手段而“留名千古”的例子,当属《吕氏春秋》中的一段记载:晋国贵族范氏覆灭之时,百姓发现了他们家的钟(古代打击乐器),想要“顺走”但又怕移动的时候响起来惊动别人,于是就想出了一个好办法,那就是捂住自己的耳朵,然后再动手……

这就是古代中国在降噪技术的探索历程中最著名的失败案例:掩耳盗铃。

采取各类手段隔音降噪的历史极为悠久,发展至今也衍生出很多相关产品,例如耳塞、隔音棉、隔音板等。但是,真正将降噪这门手艺做到具有科技含量且效果最佳的,还是这位来自美国的老大哥Amar G. Bose。

没错,这位名中带“Bose”的“攻城狮”便是如今购物网站上动辄上千元的耳机品牌Bose的创始人。

1978年,Amar G. Bose在从欧洲飞往波士顿的飞机上,由于飞机引擎的噪音干扰了他戴耳机欣赏音乐的兴致。于是,如同被苹果砸中的牛顿一样,这激发了他对主动降噪技术的研究兴趣。

下飞机之后,Bose就开始推导验算,并写出了降噪耳机原理中最原始的方程式。至此,世界上第一个降噪耳机诞生。

从技术角度来看,主动降噪技术并不复杂,其本质就是通过收集噪声,然后经过内部的降噪电路运算后,发出这些噪声的反向声波,来抵消噪音。就如同武当张三丰的太极拳那样,通过借力打力的方式让对手在眼前消失。

但是,主动降噪技术在实际应用中有一个非常关键的问题,那就是噪音的种类、频率都不一样,而且噪音的传递速度很快,如果噪音都已经传递到耳朵里了,但设备还没运算清楚,这就没法实现降噪目的。

因此,音频IC、麦克风、扬声器等声学核心电子元件,以及保障运算速度的声学算法成为了主动降噪模组的核心,占据了主动降噪产业链的上游端。

据《报告》,由于主动降噪核心元件必须结合专业声学测量、NVH工程知识以及实际工程经验。到目前为止,只有Bose、苹果、BES等少数国外厂商占据了主动降噪技术产业链上游端。

同时,由于上游成本占主动降噪产业比重高达40%-50%,使得集中在中下游的中国企业无利润空间来改进生产工艺,品牌商也难以降低用户体验门槛。这种情况也导致在国际市场上,中国品牌的身影难以显现,大量的利润流入他国企业腰包。

翻盘有望,因为有需求

不出意外的话,当你认真巡视地铁上那些年轻靓丽的“潮男潮女”时,会发现他们所佩戴的耳机十有八九皆出自Bose、Sony、苹果等“又贵又有面儿”的国外品牌。无意间,这些外国品牌也成为了社会个体财富与地位的隐象表征。

在这种情况下,中国品牌是否有机会在面子和里子两方面击败外国品牌,并取而代之成为潮流界的宠儿呢?可以肯定地说,非常有可能。

亿欧智库认为,中国主动降噪行业发展的主要驱动因素,在于市场需求端发生了变化。随着国内消费水平的提升,消费者对主动降噪类产品的需求正不断增加。

《报告》统计,从2016年开始,中国智能化、品质化的需求便已经随着消费水平提升而快速上升。而消费持续升级也导致无线降噪耳机(TWS)、智能家电、汽车销量继续放量增长。

其中,2020年全球TWS耳机总出货量已达到2.5亿台,预计2021年,全球出货将达约3.5亿台,中国市场份额占比近30%。同时,主动降噪ENC(环境降噪技术)成为了TWS耳机的标配也带动中国TWS耳机进入市场并快速铺开,进一步推动中国声学主动降噪行业的发展。

此外,主动降噪技术得以快速发展的核心推动力,在于产品智能化需求与降噪需求二者之间的互补关系。亿欧智库认为,传统家电如扫地机、油烟机、风机等的智能化升级不仅体现在功率提升方面,也会产生更高噪音,因而消费者的降噪需求将变得更加迫切。

据2021年中国家用电器协会数据,“十三五”期间,我国主要家电产品的噪音控制水平持续提高,市场上较为先进的冰箱噪声功率已达到32-38dBA之间(接近微风拂面产生的噪音),分体挂机空调的噪声声压级普遍达到35dBA。

“家电企业在噪声控制上做了大量工作,目前主要家电企业及关键零部件企业均建立起了完备的噪声研究开发环境,大多数企业均建有全/半消音室,有些头部企业甚至建立了更加完备的带工况的精密级消音室。”有行业内部人士向亿欧EqualOcean透露。

由此可见,家电行业在噪音控制领域已经出现了“互卷”的局面,而主动降噪技术作为最有效的降噪手段,在未来势必会成为家电行业的主要应用技术。

综上所述,中国TWS耳机销量增加必然导致市场竞争白热化,中低端高性价比品牌和白牌TWS耳机,虽然体验成本低,但随着体验时间长,消费者便会希望“中价高值”产品出现。而对差异化产品产生需求,也会导致高端TWS耳机的销量在我国持续走高。

同时,随着TWS耳机带来的消费端对主动降噪认知能力的提升,消费者将充分意识到噪音治理及其对生活的重大改变,而智能家电也将会借助低噪音优势让产品更具粘性,并逐渐成为家电行业的新宠。借此,由主动降噪技术带来的棘轮效应至此产生,未来该行业在国内市场将一片大好。

核心技术正逐渐掌握

有比喻说,如果华为是一个摊煎饼的,那么华为可能要去隔壁村(美国)买鸡蛋,然后回来自己加工,再将煎饼卖给消费者。但如果美国依仗自己掌握孵鸡蛋的核心科技,从此不卖给华为鸡蛋,那么华为的“买卖”便不好做了。

这个形容虽不精准但却形象。在绝大部分科技产业中,如果国内企业没有掌握“孵蛋”这种核心科技,那么无论在产业链的下游混得如何风生水起,我们还是要仰人鼻息,看人脸色地做生意。

因此,要想真正地成为行业的领头羊,掌握核心技术、占据产业的上游位置,将是主动降噪领域里的中国企业绕不过去的一道坎。

“国外大厂在主动降噪领域对我们进行技术封锁并不是昨天之事。”安声科技CEO刘益凡说道,“由于具有先发优势,诸如Bose和Sony等国外企业都拥有众多精通声学的工程师,这批工程师产出的大量声学专利,拉高了行业门槛,阻止国产企业向产业上游发展。”

刘益凡表示,在主动降噪领域尤其是降噪耳机方面,如今Bose和Sony占据了将近90%的专利,有着十分完美的专利布局,所以要想从硬件方面打破垄断实现弯道超车,胜算并不大。因此,要想在主动降噪领域与国外企业掰一掰手腕,只有另辟蹊径,通过优化算法,构建自己的数学模型来解决问题。

中国现代声学开创者马大猷院士曾经在文章《声学研究的进展》中表示,声学是一门应用物理学 ,从20世纪开始 ,虽然振动和声波基本理论 ( 称为物理声学 ) 的研究持续发展,但声学的主要发展则是不断和有关学科或技术结合, 形成大量的边缘学科 。

因此,声学的研究容纳了物理声学、光声学、超声学、电声学、声信号处理等以运算为基础的学科,而要在声学领域取得成果,则需要数学构建的模型才能完成。

以安声科技为例,通过自建的底层数学模型,该公司绕过了Bose等国外厂商的技术垄断,推出了三维空间主动降噪技术。

据安声科技介绍,与耳机等仅覆盖人耳的单点一维降噪不同,三维空间主动降噪技术更为复杂,需考虑三维声场的分析及建模,并通过使用先进的声场模拟还原技术及噪声分离算法,实现对一整片区域进行降噪。

“安声自研的三维主动降噪技术能处理噪声频宽可达3000Hz,在全球行业仅有几家三维ANC技术提供商中也处于领先地位。在该指标的覆盖下可以对风噪、胎噪、日常生活噪声都有更全面地覆盖。”刘益凡说道。

不仅如此,借由自主研发的降噪技术,安声科技在降噪方面的专利也在不断积累并布局,到目前为止,已经申请了百余种专利。

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值得注意的是,在主动降噪领域的专利申请,除了安声科技以外,其他中国企业也均有所建树。以国内从事智能音频SoC芯片的研发企业恒玄科技为例,在2019年至2021三年之间,也陆续发布了十数个与主动降噪技术相关的专利。管中窥豹,可见国外对于我国企业主动降噪技术的垄断正逐渐被打破。

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结语

国外的月亮比国内的圆、外来的和尚更会念经。西方先进技术高于本土技术的这一“传统”观念,在改革开放至今依旧是部分国人的固定思维。

但是如今时代变了。随着国人生活水平的提高,人们对高质量生活的需求越来越大,我们赫然发现,如今所拥有的那些价格不菲的“生活必备品”已逐渐褪去了“金发碧眼”的洋面孔,换上了本土的肤色。

例如在移动通讯端,苹果三星已经不再是高端手机的唯一代名词,众多民族品牌的崛起,也让我们用上了诸如华为等质量较之不差的的国有品牌。而在家电领域,伴随着海尔、格力等白家电巨头的崛起,海外家电在国内市场的高端光环正逐渐褪去,“如何求生”似乎成为了洋品牌接下来需要思考的问题。

同样,在主动降噪领域,虽然目前国外大厂依旧占据优势。但随着中国企业不断构建自己的底层技术,布局专利,走向产业的上游位置也只是时间问题。

关于2021年中国主动降噪创新企业最新详细数据,请参阅亿欧智库研究报告《中国声学+主动降噪技术应用研究报告》(https://www.iyiou.com/research/2022012090)

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参考资料:

董, 桂., 阮, 向., 周, 阳., 韩, 少., 徐, 楠., 曹, 新. and 程, 怡., 2017. 主动降噪技术现状与 发展趋势. [online] China Electronics Standardization Institute. Available at:[Accessed 19 February 2022].

Elliott, S. J., & Nelson, P. A. (1993). Active noise control. IEEE signal processing magazine, 10(4), 12-35.

Kajikawa, Y., Gan, W. S., & Kuo, S. M. (2012). Recent advances on active noise control: open issues and innovative applications. APSIPA Transactions on Signal and Information Processing, 1.

Ma, D., 1994. Progress in Acoustics Research. [online] Sciences & Technology Review. Available at:[Accessed 17 February 2022].

亿欧EquanlOcean, 2022. 中国声学+主动降噪技术应用研究报告. [online] Beijing. Available at:[Accessed 18 February 2022].

杨, 海., 2013. 音频主动降噪系统的研究. Master. Nanjing University of Posts and Telecommunications.



本文来源于亿欧网,原创文章,作者:马渭淞。
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