女朋友問:你知道藍牙耳機的原理嗎?


又到了春暖花開的季節,每天最幸福的時光就是戴着我的藍牙耳機,聽着自己喜歡的歌,騎着我心愛的小電驢前往公司上班的路上。如果有一天耳機沒電了或者沒戴耳機🎧,就感覺欠缺了什么。

下面是我每天生活中最多的耳機操作:

在當前的電子設備中,藍牙協議在設備使用中變得越來越普遍了,例如AirPod、音響、鼠標和車載等。大家都知道藍牙是一種通信協議,那么手機到我們耳機是如何建立連接,並把音樂傳遞到我們的耳朵里的呢。今天讓我來說道說道!

藍牙簡介和由來

藍牙是一種無線通訊技術標准,用來讓固定與移動設備,在短距離間交換資料,以形成個人局域網(PAN)。其使用短波特高頻(UHF)無線電波,經由2.4至2.485GHz的ISM頻段來進行通信。1994年由電信商(Ericsson)發展出這個技術。它最初的設計,是希望創建一個RS-232數據線的無線通信替代版本。它能夠鏈接多個設備,克服同步的問題。

這里出現了一個專業名詞: UHF(特高頻),這里給大家還需要給大家科普下無線電的相關知識。

無線電(Radio waves), 有時也稱無線電、射頻等,是一種電磁波,其波長在電磁波普中比紅外線長。無線電波的頻率在300GHZ到3kHz之間,但也有定義將任何1GHz或3GHz以上的電波划為微波。和其他電磁波一樣,無線電波也以光速行進。自然界中的無線電波主要是由閃電或者宇宙天體形成。

具體划分見下圖:

藍牙技術目前由藍牙技術聯盟(SIG)來負責維護其技術標准,其成員已超過三萬,分布在電信、電腦、網絡與消費性電子產品等領域。

“Bluetooth”一詞是斯堪的納維亞語言詞匯Blåtand/Blåtann的英語化。這個詞的來源是10世紀丹麥和挪威國王藍牙哈拉爾(丹麥語:Harald Blåtand Gormsen),借國王的綽號“Blåtand”當名稱,直接翻譯成中文為“藍牙”(blå=藍,tand=牙)。2006年時,藍牙技術聯盟組織已將全球中文譯名統一改采直譯為“藍牙”,並注冊為該組織的注冊商標。

藍牙哈拉爾曾統一了因宗教戰爭和領土爭議而分裂的挪威和丹麥,因此藍牙技術的研發小組以其名號期許新技術能集成各大資通品牌的標准。藍牙的標志是盧恩字母的組合,也就是Harald Blåtand的首字母HB的合寫。

藍牙連接如何工作

藍牙設備在2.45GHz無線電頻譜上的79個不同頻率上運行。當兩個設備想要連接時,比如說一部智能手機連接到AirPods Pro,它們會隨機選擇79個通道中的一個,或者如果附近的另一對設備已經占用了另一個通道,則嘗試另一個。

通常,需要使用設備創建的密碼才能將兩個藍牙產品連接在一起。例如,將智能手機連接至汽車時,兩者都將在其顯示屏上顯示短代碼。如果雙方都顯示相同的代碼,則可以繼續建立連接。有趣的是,我從未見過有一對設備顯示彼此不同的代碼。

配對的設備一旦配對,它們將彼此記住,除非您讓它們忘記。這就是為什么您每次上車時手機都會(或至少應該)自動連接的原因,因為這兩個設備相互了解並相互信任。

耳機是怎么響的

調制和發射器

每個手機都有個無線電系統,其具有發射器。無線電發射機,借由交流電,經過振盪器,變成高頻率交流電,產生電磁場,而經由電磁場可產生無限電波。無線電波像磁鐵,有同性相斥、異性相吸的現象。同類電子會相互排斥,因此當無線電波射出時,會將前方電波向前推,當連續電波一直射出來時,電波就會在空氣中傳播。

接收器和解調

電磁波可以用調諧過的天線接收其訊號。天線可以拮取一些電磁波的能量,變成電路中的諧振電流。接收器可以將電流解調,轉換成可用的的訊號。接收器一般也會調諧到可以接收特定頻段的訊號,拒絕其他頻段的信號。

震動

我們都知道聲音是由震動產生的,耳機的工作原理和音箱是一樣的:將輸入的音頻電信號轉化為機械振動,才能在耳機里聽到美妙的音樂~

中學的時候,我們學過法拉第電磁感應:磁通量的變化會有電流的產生。比如閉合電路的一部分導體在磁場里做切割磁感線的運動時,就會產生電流,簡單說就是磁生電。

反之亦然,電流也是會產生磁場的。而耳機的工作原理,就是電流的變化產生了變化的磁場,靠磁鐵的運動連帶着振膜產生震動,從而發出聲音

在耳機里,存在着兩塊磁鐵。一塊是下圖中的強磁性磁體,是一塊永磁鐵,固定在耳機的框架上,是粘牢了不能動的;另一塊是連接着振膜的音圈,是一塊電磁鐵,通電時才會產生磁性,是可動的。

聲音是振膜推動空氣振動產生的。當音頻電流通過耳機線,流過下圖耳機內紅色的音圈時,就會產生變化的磁場,而這個磁場又會和固定於耳機內的永磁材料相互作用,音圈受力產生了不同振幅的運動,從而帶動振膜產生振動,就發出了變化的聲音。這就是揚聲器的工作原理了!

優點

數據無線傳輸

藍牙的主要優點之一是,它允許設備無線傳輸數據。這種優勢轉化為更具體的優勢,包括無線連接或“配對”設備以創建無線個人局域網或WPAN,無線Internet連接和無線同步,以及方便地發送和/或接收文件而不會帶來攜帶和攜帶麻煩。使用電纜或其他硬件接口技術,如USB標准或Thunderbolt技術。

請注意,通過藍牙進行無線連接的其他應用包括設備與另一兼容設備之間的遠程控制,用於在確定距離內定位和識別物體的實時定位系統,用於防止諸如智能手機之類的設備被盜或丟失的人身安全,以及使用支持藍牙的醫療設備進行健康監測和記錄。

廣泛的可用性和可訪問性

藍牙的眾多應用證明了其廣泛且幾乎通用的可用性。大多數筆記本電腦和其他移動設備(例如智能手機和平板電腦)都帶有內置的藍牙硬件。對於沒有必需硬件組件的個人計算機,購買和使用藍牙適配器將使它們能夠與支持藍牙的設備進行通信。

由於藍牙似乎已成為現代計算機(尤其是筆記本電腦和移動設備)的標准功能,因此已經開發和銷售了互補設備。這些設備包括無線揚聲器和耳機,諸如智能手表之類的智能設備和其他可監視活動的可穿戴技術,以及支持藍牙的智能家用電器和辦公設備等。

易用性帶來的便利

將設備與內置的藍牙無線電配對非常容易。無需安裝其他軟件或驅動程序即可在支持藍牙的設備之間建立通信。對於兩個設備進行通信,也沒有嚴格的設置過程。

只要啟用藍牙的無線電設備處於啟用范圍之內,並且使它們處於覆蓋范圍之內,該技術就可以使彼此容易發現啟用的設備,從而簡化了整個配對過程。另外,該技術還包括用於使用服務發現協議和通用唯一標識符來識別服務的協議,以列出特定設備的特定服務或功能。這些協議使另一個設備可以輕松確定並顯示要與之配對的設備的名稱和類別,以及其服務或功能以及技術信息。

能源效率

藍牙技術具有較高的能源效率,因此進一步提高了無線數據傳輸所帶來的好處和便利。對於低功耗藍牙或BLE標准來說尤其如此。BLE的超低功耗要求使其非常適合小型設備(包括可穿戴技術),在這些設備中,最小的電池壽命要求和小尺寸是關鍵的設計和工程考慮因素。

該技術的最新版本稱為藍牙4.0,其功耗效率也比藍牙3.0高。該新規范具有與舊版藍牙規范中相同的BLE技術和經典藍牙標准,因此允許雙模式利用能效和更快的數據傳輸速率。


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