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從耳機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來(lái)看,AirPods無(wú)線(xiàn)耳機大幅提升了無(wú)線(xiàn)耳機的用戶(hù)體驗,是無(wú)線(xiàn)耳機的劃時(shí)代產(chǎn)品。其用戶(hù)體驗提升總結包括三大方面:實(shí)現無(wú)線(xiàn)立體聲,提升連接效率和穩定性、提升音質(zhì)、極大提升藍牙耳機的續航能力、智能化(多重傳感器,Siri的延伸,未來(lái)智能家居的核心)。
AirPods發(fā)布后,銷(xiāo)量一直非常好,發(fā)貨周期一度延遲到6周,直到新供應商加入后才有所緩解。AirPods的發(fā)布使得蘋(píng)果在美國在線(xiàn)耳機市場(chǎng)的份額大幅提升,說(shuō)明大量的用戶(hù)已經(jīng)在從有線(xiàn)耳機轉到無(wú)線(xiàn)耳機。此外,AirPods還大幅帶動(dòng)了美國電商市場(chǎng)無(wú)線(xiàn)耳機銷(xiāo)售的熱潮,AirPods發(fā)布后,美國電商市場(chǎng)無(wú)線(xiàn)耳機的市場(chǎng)份額由15年的峰值50%再次提升至16年底的80%,顯現出強勁的替代趨勢。
一、未來(lái)幾年無(wú)線(xiàn)立體聲耳機快速滲透市場(chǎng)
實(shí)際上不僅僅是AirPods,眾籌網(wǎng)站kickstarter和Indiegogo上有關(guān)無(wú)線(xiàn)立體聲智能耳機的項目情況也證明智能耳機受到消費者的熱烈追捧。Kickstarter上面已經(jīng)有16萬(wàn)人已經(jīng)使用了超過(guò)3000萬(wàn)美元的智能耳機,而且這些都是未經(jīng)測試且不可靠的產(chǎn)品。根據統計顯示,只有兩個(gè)智能耳機的眾籌活動(dòng)沒(méi)有達到目標,非常低的失敗率反過(guò)來(lái)顯示出消費者對智能耳機濃厚興趣。
Airpods的發(fā)布和供不應求代表了消費者對無(wú)線(xiàn)立體聲耳機的認可,三星、索尼等巨頭都在布局TWS技術(shù)的無(wú)線(xiàn)立體聲耳機,眾籌市場(chǎng)上面眾多的無(wú)線(xiàn)立體聲智能耳機項目收到廣泛的追捧,如Bragi、Jabra等項目都獲得了不錯的結果。除了巨頭的終端產(chǎn)品驅動(dòng)外,3.5mm耳機接口取消、藍牙5.0、動(dòng)鐵單元、人工智能語(yǔ)音助手等科技和趨勢的普及都將驅動(dòng)未來(lái)無(wú)線(xiàn)立體聲耳機的快速滲透。
我們對消費電子市場(chǎng)無(wú)線(xiàn)耳機未來(lái)幾年的滲透率、出貨量和市場(chǎng)規模進(jìn)行了測算。假設到19年全球無(wú)線(xiàn)立體聲耳機滲透率達到60%左右,消費級無(wú)線(xiàn)立體聲耳機的整體市場(chǎng)規模有望超過(guò)150億美元。
此外,無(wú)線(xiàn)立體聲智能耳機的革命不僅僅在消費電子市場(chǎng)的替代潮,在醫療(助聽(tīng)HearingAids、個(gè)人看護PSAP)、ToB市場(chǎng)(軍工、噪音隔離、娛樂(lè )業(yè))、聲音(耳道回聲)的生物識別等也有巨大的機會(huì )和市場(chǎng)空間。根據第三方機構WiFore相關(guān)數據和我們的進(jìn)一步測算,考慮醫療和軍工、工業(yè)、娛樂(lè )等ToB市場(chǎng),到2020年無(wú)線(xiàn)耳機整體的市場(chǎng)規模有望達到300-400億美元。
助聽(tīng)器Hearing Aids:無(wú)線(xiàn)立體聲智能耳機的普及有可能帶來(lái)助聽(tīng)器市場(chǎng)的革命,從技術(shù)、商業(yè)模式等方面徹底改變整個(gè)聽(tīng)覺(jué)醫療領(lǐng)域的市場(chǎng)。傳統的助聽(tīng)器與耳機一個(gè)重大的不同在于,助聽(tīng)器不僅僅簡(jiǎn)單的提高環(huán)境音量,還需要由專(zhuān)業(yè)的醫生配合調試各項參數來(lái)針對特定的聽(tīng)覺(jué)障礙的用戶(hù)提供最佳匹配的聲音。因此,助聽(tīng)器是一種專(zhuān)門(mén)的醫療器械,通常與專(zhuān)業(yè)的醫療服務(wù)配套,形成一個(gè)完整的商業(yè)模式,助聽(tīng)器在美國也需要被FDA認證,才能作為正式的醫療用品加以出售。但是以蘋(píng)果AirPods以及其搭配的APP為代表的新產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始對這一模式形成挑戰。美國FCC要求“手機要兼容助聽(tīng)功能必須帶有telecoil感應線(xiàn)圈系統”,而蘋(píng)果已經(jīng)向FCC請愿取消這一要求,因為iPhone帶有的MFI套件配套耳機就能解決助聽(tīng)問(wèn)題。此外,低功耗藍牙技術(shù)、動(dòng)鐵單元技術(shù)的引入能夠解決傳統無(wú)線(xiàn)耳機的功耗和續航問(wèn)題,進(jìn)一步打破了助聽(tīng)器市場(chǎng)的技術(shù)壁壘。
噪音隔離和聽(tīng)覺(jué)保護:在工業(yè)應用中,惡劣的聲音環(huán)境會(huì )對勞動(dòng)者的聽(tīng)覺(jué)產(chǎn)生巨大的傷害,聽(tīng)覺(jué)保護在這些極端的工作環(huán)境中極為重要。在勞動(dòng)者保護越來(lái)越引起社會(huì )重視的背景下,聽(tīng)覺(jué)的保護也是聲學(xué)工業(yè)探索的方向和市場(chǎng)機會(huì )之一。傳統的聽(tīng)覺(jué)保護方式采用物理完全隔絕外界聲音的方式。這種方式的缺點(diǎn)在于,聽(tīng)者被完全隔離在外界聲音中,包括一些有用的工作聲音和交流信號,甚至長(cháng)期佩戴這樣的裝置會(huì )產(chǎn)生社交隔離的心理障礙。最新的智能無(wú)線(xiàn)耳機可以通過(guò)采集環(huán)境噪音,利用計算機算法有選擇的傳送聲音到用戶(hù)的耳中,既實(shí)現了隔絕噪音的功效,又防止把有用的聲音也一起隔絕掉。
軍事領(lǐng)域:美國軍隊已經(jīng)開(kāi)始對無(wú)線(xiàn)耳機市場(chǎng)進(jìn)行投入,2016年美國軍隊初步采購了2萬(wàn)個(gè)適配其TCAPS戰術(shù)通信和保護系統的無(wú)線(xiàn)耳機,單價(jià)超過(guò)2000美元??紤]到軍工市場(chǎng)的潛在采購規模和非常高的單價(jià),軍事領(lǐng)域也是無(wú)線(xiàn)耳機的重要機會(huì )。
聲音(耳道回聲)的生物識別:以日本電氣NEC正在開(kāi)發(fā)的一種聲音的生物識別技術(shù)為例,他們通過(guò)在耳機中加入回聲接收裝置,通過(guò)在耳朵中接收聲音的回聲辨別用戶(hù)的身份,目前識別的速度已經(jīng)降低到1s以?xún)?,未?lái)有望成為用戶(hù)生物識別又一重要的可選擇方式。
二、TWS等多項新技術(shù)是新一代無(wú)線(xiàn)立體聲耳機的核心
1、真無(wú)線(xiàn)立體聲(TWS)是新一代無(wú)線(xiàn)立體聲耳機的主要方案
真實(shí)無(wú)線(xiàn)立體聲,英文專(zhuān)用詞匯為T(mén)rue Wireless Stereo,簡(jiǎn)稱(chēng)TWS,它是藍牙耳機/音箱技術(shù)的最新創(chuàng )新,可以實(shí)現藍牙左右聲道的無(wú)線(xiàn)分離。
這項技術(shù)的核心原理是將揚聲器分為了主揚聲器(TWS Master)和從屬揚聲器(TWS Slave)。主揚聲器是能夠接收智能手機、筆記本電腦等設備(音源)傳輸的A2DP協(xié)議的音頻以及AVRCP協(xié)議的流媒體控制信號,并將音頻傳輸給其他TWS設備的揚聲器。從屬揚聲器是指能夠從主揚聲器接收A2DP協(xié)議音頻的揚聲器。比較高端TWS耳機一般兩個(gè)揚聲器都可以作為主揚聲器使用。
TWS技術(shù)使得主流的A2DP協(xié)議的音頻可以從主揚聲器傳輸到從揚聲器,實(shí)現音頻在兩個(gè)分離的揚聲器中同步播放,進(jìn)而實(shí)現立體聲效果。
蘋(píng)果、三星、Jabra等行業(yè)龍頭在新產(chǎn)品中都采用了TWS技術(shù)。TWS耳機中的典型代表是蘋(píng)果AirPods,除此之外三星Gear IconX、Jabra Elite Sport等也是行業(yè)內的代表產(chǎn)品。表格7我們匯總了目前已經(jīng)發(fā)布的電子行業(yè)巨頭以及初創(chuàng )型公司的TWS耳機。
除了整機外,TWS主要解決方案提供商英國芯片廠(chǎng)商CSR,、以及恩智浦NXP旗下的廠(chǎng)商兩家都被高通重金收購,也是業(yè)界巨頭在無(wú)線(xiàn)電聲領(lǐng)域布局的代表案例。
采用了TWS技術(shù)的無(wú)線(xiàn)耳機與普通藍牙耳機對比,在便攜度、高清音質(zhì)、體積、智能化水平、防水等方面優(yōu)勢明顯。
2、以AirPods為代表,TWS耳機元件數量和復雜度都大幅提升
一對AirPods耳機以及1個(gè)充電設備共有28個(gè)主要組件以及數百個(gè)元器件,相較于以往的無(wú)線(xiàn)耳機在元器件數量和復雜度大幅提升。
除了無(wú)線(xiàn)耳機都具備的聲學(xué)器件、解碼芯片等組件外,AirPods集成了數個(gè)不同功能的傳感器,大幅提升無(wú)線(xiàn)耳機的使用便捷度。
AirPods新增的生物識別和降噪都主要是通過(guò)各種傳感器來(lái)實(shí)現的。主要包括語(yǔ)音加速傳感器、運動(dòng)加速傳感器、光學(xué)傳感器和MEMS麥克風(fēng)。
語(yǔ)音加速感應器:
語(yǔ)音加速感應器是一個(gè)語(yǔ)音活動(dòng)檢測器,可以感受使用者在說(shuō)話(huà)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng),通過(guò)用戶(hù)的肌肉組織和骨骼中的震動(dòng)檢測到語(yǔ)音活動(dòng),Bosch這顆芯片的封裝尺寸為2.0mmx2.0mm x0.95mm
運動(dòng)加速感應器:實(shí)現敲擊兩下激活siri和啟動(dòng)麥克風(fēng)的功能
AirPods中的運動(dòng)加速感應器是來(lái)自于STMicroelectronics三軸加速度計,配合光學(xué)傳感器使用能衍生出多種便捷功能。封裝尺寸為2.50 mm x 2.50 mm x 0.86 mm。
光學(xué)傳感器:檢測用戶(hù)是否佩戴耳機
AirPods中的光學(xué)傳感器由兩個(gè)光敏元件組成,配合運動(dòng)加速感應器來(lái)檢測你是否已將它們戴入耳中,從而能自動(dòng)開(kāi)啟傳送音頻和激活麥克風(fēng)等功能。其封裝尺寸為1.78 mm x 1.35 mm x 0.42 mm。
麥克風(fēng):接撥電話(huà)、語(yǔ)音輸入和過(guò)濾背景噪音
AirPods的MEMS麥克風(fēng)均來(lái)自于歌爾聲學(xué)。采用波束成形技術(shù)的麥克風(fēng)可以配置成陣列,形成定向響應或波束場(chǎng)型,可以對來(lái)自一個(gè)或多個(gè)特定方向的聲音更敏感。配合語(yǔ)音加速感應器,可過(guò)濾掉背景噪音,清晰鎖定用戶(hù)的聲音。
AirPods充電器內部的電池是一塊3.81V,1.52瓦時(shí)的鋰電池,它的電池容量大約是AirPods耳機的16倍,可以將兩個(gè)耳機充滿(mǎn)8次電。對比來(lái)看,Apple Pencil的電池大約是0.329瓦時(shí),Apple Watch Series 2為1.03瓦時(shí),目前為止這是容量最大的微型電池。
此外我們還從更加詳細的拆解圖可以看到,AirPods中不僅僅是新加入了傳感器、芯片、聲學(xué)器件等,還因為這些零組件的數量增加導致內部的連接器(Speaker Connector、Antenna Connector、Button Connector、Charging Connector、Battery Pad等)、天線(xiàn)、金屬結構件等小零部件的數量也大幅增加,也給組裝廠(chǎng)商的組裝制造能力和金屬小部件自給能力提出了更高的要求,形成了TWS耳機組裝廠(chǎng)商特殊的較高壁壘。
三、從AirPods看無(wú)線(xiàn)立體聲耳機的技術(shù)創(chuàng )新
1、AirPods未來(lái)的幾大升級方向
從蘋(píng)果儲備的各類(lèi)專(zhuān)利來(lái)看,AirPods目前還僅僅是一個(gè)入門(mén)級產(chǎn)品,未來(lái)具備非常大的升級空間,運動(dòng)檢測、健康檢測、生物識別以及更加可靠的佩戴方式、無(wú)線(xiàn)充電等都將是布局的方向。
蘋(píng)果2016年9月遞交了三份專(zhuān)利,題目都是“具有生物識別感應功能的耳機”,透露了AirPods未來(lái)可能的幾大升級方向。
第一項專(zhuān)利是關(guān)于在A(yíng)irPods這樣的入耳式耳機上搭載生物識別技術(shù),解決在與耳機與耳朵接觸的表面積太小而且不夠穩定,多數情況下難以獲得生物識別所需的足夠信息的問(wèn)題。
這項專(zhuān)利使用了光電容積描記(PPG)傳感器。PPG技術(shù)是指,將一定波長(cháng)的光束照到皮膚表面,由于肌肉和血液會(huì )使光線(xiàn)衰減,反射回光電接收器的光線(xiàn)將減弱,由此可以檢測到脈搏血流的變化。一些利用手機攝像頭測量心率的app就用的是這項技術(shù),Apple Watch也是如此。
為了解決與皮膚接觸面積小的問(wèn)題,蘋(píng)果把這個(gè)傳感器放在了靠近揚聲器的位置(即下圖中204位置)。這樣一來(lái),當把揚聲器放入耳道時(shí),PPG傳感器就可以與耳屏的整個(gè)內表面相接觸。此外,還可以在耳機的另一端再安裝一個(gè)輔助部件,與外耳接觸;可壓縮變形的輔助部件讓傳感器更好地貼合不同人的耳型。
第二份專(zhuān)利材料顯示耳機上還會(huì )集成多個(gè)傳感器,包括心率傳感器、耗氧量傳感器、皮膚電反應傳感器、心電圖傳感器、心阻抗圖傳感器和溫度傳感器等。這些傳感器相互協(xié)作,可以實(shí)現心臟、血壓等健康指數的監測。
第三份專(zhuān)利闡述了蘋(píng)果如何用耳機上的麥克風(fēng)進(jìn)行降噪?,F有的AirPods使用雙麥克風(fēng)的波束形成技術(shù)來(lái)消除背景噪聲。新專(zhuān)利的技術(shù)與此類(lèi)似,只是多加了一顆麥克風(fēng)。通過(guò)設置,這只耳機可以進(jìn)行選擇性降噪,只接收10至20度范圍內的聲音,基本相當于人耳與嘴之間的角度,可以應用于通話(huà)或者與Siri的語(yǔ)音交互;它還可以被設置為全面降噪,此時(shí)所有外界的聲音都會(huì )被屏蔽,于是佩戴耳機的人在通話(huà)中就不會(huì )被自己的聲音所干擾。此外,蘋(píng)果的專(zhuān)利材料中還指出,新耳機要設計成對稱(chēng)的外形,這樣左右耳都可以方便地互換使用。為此,蘋(píng)果還使用了專(zhuān)門(mén)的傳感器,用于檢測耳機戴在哪邊的耳朵上。
目前關(guān)注度比較高的是AirPods的掉落問(wèn)題,雖然目前AirPods本身其實(shí)掉落幾率不大,但是蘋(píng)果也在通過(guò)各種辦法進(jìn)一步提升可靠度,未來(lái)我們有望看到新的方案。近期美國專(zhuān)利商標局公布了蘋(píng)果提交的一項專(zhuān)利申請,未來(lái)蘋(píng)果會(huì )利用磁性來(lái)加固AirPods 在耳朵上的佩戴。從公布的專(zhuān)利圖來(lái)看,未來(lái)的AirPods 會(huì )采用一種完全不同的設計,改為環(huán)繞式機械構架,利用兩片(磁場(chǎng))可以穿過(guò)耳朵肌肉組織的磁塊來(lái)防止耳機掉落。
不僅僅是AirPods耳機本身,AirPods的充電盒也有創(chuàng )新和提升的巨大想象空間,未來(lái)有望引入無(wú)線(xiàn)充電等新功能,使AirPods充電盒成為眾多蘋(píng)果產(chǎn)品包括手機和手表的充電站。2017年4月份Patently Apple網(wǎng)站公布了蘋(píng)果關(guān)于A(yíng)irPods充電盒的專(zhuān)利。這份專(zhuān)利描述了AirPods充電盒除了可以給耳機充電外,還能給包括手機手表等設備進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電。這就意味著(zhù)17年蘋(píng)果新品加入無(wú)線(xiàn)充電后,AirPods充電盒未來(lái)有望成為包括蘋(píng)果手機、Apple Watch和AirPods的充電站。
從AirPods可以看出,進(jìn)入無(wú)線(xiàn)立體聲時(shí)代的耳機內部結構發(fā)生了巨大的變化,多種元器件高度集成將加大制造難度和附加值。傳統的有線(xiàn)耳機圍繞發(fā)聲單元設計了海綿體、腔體、外殼、濾嘴等結構,僅僅是為了更好的保護發(fā)聲或保護耳朵,涉及到電子元件的部分很少,僅僅是線(xiàn)材、動(dòng)圈單元等。但是進(jìn)入無(wú)線(xiàn)時(shí)代的耳機,內部結構發(fā)生重大變化。由于要加入無(wú)線(xiàn)傳輸、控制、傳感、存儲、語(yǔ)音等功能,一個(gè)典型的TWS耳機內部可能集成了大量的電子元器件,包括天線(xiàn)、各類(lèi)控制/傳輸芯片、各類(lèi)麥克風(fēng)、各類(lèi)傳感器、存儲器等多種器件,復雜度大幅提升。
三星IconX耳塞在2016年初推出,但在市場(chǎng)很少看到。索尼在2016年2月的移動(dòng)世界大會(huì )上宣布了他們的Xperia Ear。8月再次出現在IFA,但仍然沒(méi)有上市。蘋(píng)果在9月推出AirPods,到17年上半年依然發(fā)貨延期很久,這些都說(shuō)明大規模生產(chǎn)良好的智能耳機難度較大。
2、動(dòng)鐵單元小型化、功耗優(yōu)勢明顯,有望在無(wú)線(xiàn)耳機等領(lǐng)域普及
人耳能夠聽(tīng)見(jiàn)聲音,是由于物體振動(dòng)時(shí)通過(guò)介質(zhì)(一般指空氣)被人的耳朵捕捉的一種生理現象。人耳能捕捉到的聲音頻率在20Hz至20000Hz之間。一般生活中聲學(xué)設備(如耳機等)提供的聲音覆蓋范圍基本與這個(gè)頻率吻合。
根據耳機換能方式劃分,可以分為動(dòng)圈和動(dòng)鐵式耳機兩種。
動(dòng)圈式耳機驅動(dòng)單元是一個(gè)小型動(dòng)圈揚聲器,由處于永磁場(chǎng)的線(xiàn)圈和振膜相連,電流驅動(dòng)下線(xiàn)圈帶動(dòng)振膜發(fā)出聲音。
動(dòng)鐵式耳機核心部件是平衡銜鐵型驅動(dòng)器(Balanced Armature Driver)。U形鐵片一端是磁鐵,一端是繞制線(xiàn)圈。U形鐵片通過(guò)傳導針與振膜相連,當U形鐵片的一端受交流往復的磁場(chǎng)推動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng),振動(dòng)傳導給振膜實(shí)現振膜發(fā)聲。
動(dòng)鐵式耳機靈敏度高、解析力高、層次感強、頻率更高、體積小巧且隔音效果更優(yōu),尤其是在體積和省電方面具備特殊優(yōu)勢。動(dòng)鐵單元電聲轉換率高,耗電量是普通喇叭的20%-30%。在無(wú)線(xiàn)耳機趨勢下,動(dòng)鐵型微聲學(xué)器件的小型化和自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)勢,有望助推其成為未來(lái)主流的聲學(xué)器件。
從蘋(píng)果專(zhuān)利布局進(jìn)一步來(lái)看,未來(lái)蘋(píng)果耳機演變?yōu)槿攵蕉鷻C也值得期待。如果動(dòng)鐵單元由于更加適合入耳式耳機而被蘋(píng)果采用,也有望帶來(lái)供應鏈的變革。
2017年7月,AppleInsider披露了一份十分酷炫的蘋(píng)果專(zhuān)利申請。專(zhuān)利描述了一種先進(jìn)的入耳式耳機設備,該設備會(huì )在某種情況下,實(shí)現通過(guò)傳感器來(lái)屏蔽掉環(huán)境噪音,同時(shí)也可以放大和增強外部環(huán)境的聲音。蘋(píng)果公司描述這項專(zhuān)利為“入耳式混音音頻透明度系統”,是一種噪音消除和管理解決方法,它允許用戶(hù)選擇性地淹沒(méi)和聽(tīng)取來(lái)自環(huán)境周?chē)穆曇簟?br/>
目前入耳式耳機為了能聽(tīng)到外界聲音,依靠麥克風(fēng)和數字聲音處理技術(shù),但是這種技術(shù)需要比較大的功率。此外密封耳道會(huì )導致用戶(hù)聽(tīng)自己的聲音或類(lèi)似身體運動(dòng)產(chǎn)生的嗡鳴聲,并且這種嗡鳴聲是目前入耳式耳機沒(méi)有辦法消除的。蘋(píng)果公司提出的這種混合透明度系統,將入耳式耳機的元件“漏”出來(lái)或部分未密封的設備與機載計算機邏輯結合起來(lái)。添加一個(gè)類(lèi)似于排氣口的聲通閥來(lái)抵消閉塞效應。當用戶(hù)正在聽(tīng)音樂(lè )時(shí),可以關(guān)閉閥門(mén),從而將音頻內容與外部噪聲隔離開(kāi)來(lái);而需要聽(tīng)到外部聲音的時(shí)候打開(kāi)閥門(mén)。
蘋(píng)果在專(zhuān)利中添加了自動(dòng)化技術(shù)來(lái)優(yōu)化,使閥門(mén)致動(dòng)能被編程,通過(guò)傳感器數據來(lái)確定用戶(hù)正在運行或執行身體活動(dòng),并能自動(dòng)觸發(fā)閥操作。耳機閥能更好地感知周?chē)h(huán)境中的聲音,比如汽車(chē)交通、或者其他人的聲音,還可以調節由周?chē)h(huán)境的波動(dòng)引起的耳壓,這個(gè)特別的功能甚至能應付飛機起飛降落時(shí)候的壓力平衡。
另外,AirPods布局的一大重心是作為Siri的入口,以AirPods為代表的一個(gè)新的可穿戴設備角色加入到語(yǔ)音助手的隊列,并且AirPods的語(yǔ)音輸入操作遠遠比手機等設備方便,不需要喚醒手機等一系列操作就可以與人工智能交互。除了AirPods以外,三星Gear IconX、新版索尼Xperia Ear等都具備語(yǔ)音助手功能,可見(jiàn)其重要性。無(wú)線(xiàn)智能耳機成為比手機上面的人工智能交互更加便捷的通道,成為各大語(yǔ)音助手的自然延伸。