百事可乐
发表于 2018-7-10 11:44:52
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轻松看懂耳机测量数据：频率响应（上）' q& W' @* ?& U/ v2 v
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整个过程非常耗时耗工，加上测量的专业器材相对昂贵，像是国外 Innerfidelity 所使用的 HMSII.3 声学头售价就超过两万元美金，这还不包含后续接收、分析仪器，使得只有少数单位能够提供稳定且完整的耳机测量数据。
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?! Q2 Z$ {6 l8 R( NHMS II.3 声学头，单个售价就高达两万元美金0 ^% T+ r; ] Z3 n5 y: s* D
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好在随着网络的发达，越来越多网站提供量大且质精的测量数据，于是乎如何判读耳机测量数据就成了相当重要的技巧，虽然耳机测量数据并不能够直接决定耳机的好坏，但能够帮助我们了解耳机是否有任何明显的设计错误，和提供耳机的音色走向供我们参考。底下笔者将会介绍如何判读耳机测量数据，本篇文章内容部分译自 Innerfidelity 的响应频率介绍文章，希望能帮助各位读者了解耳机测量图表，首先我们就从最常见的耳机响应频率开始介绍。" Q5 |2 ~+ a3 a$ y4 c( S4 J! w& s
耳机频率响应
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在开始讨论耳机响应频率之前，我们应该先来探讨一下耳机的响应频率是如何测量，大家必须有一个概念，就是耳机的响应频率测量比喇叭来得困难许多，主要是因为耳机的响应频率测量，并不能使用简单的麦克风测量。0 S- C1 o: o( y
频率响应的测量
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一般在测量喇叭响应频率时，业界的标准是将喇叭单体放置于国际电工委员会标准障板上，或是将喇叭音箱放置在离地 1～1.5 公尺的高度，然后将麦克风放置距离喇叭 1 公尺的中心轴在线，并且在无响室内进行测量，一个精准的喇叭理论上该提供平直的响应曲线，这是业界测试喇叭频率响应的标准。- A( S, }7 D$ D& T3 B) _6 L Q, Q! L
) j% [* q+ Z% n6 K- m8 A而不同于喇叭的测量，耳机的测量必须去模拟使用者真实聆听的情况，需要将一对麦克风放置在假人头模型的耳中，来模拟人耳实际聆听的状况，所以当我们提到耳机测量时，实际上是测量类似人类耳膜接收到的声音。( g1 @' l9 M2 c* ^. L/ W% @
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" r; q2 B6 ?* Z" r+ ~; C {喇叭测量和实际聆听情况的不同，一个理想中平直响应喇叭所发出的声音，在真正到达耳膜前会受到身体不同部位的干扰
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而其中最大的不同点，是耳膜所接收到的声音，并非等于喇叭单体所发出的声音，耳膜所接收到的声音会受到头型、脖子、躯干、耳朵集音效果和耳管共振放大所影响。所以在测量耳机响应频率之前，我们必须明确的知道，当聆听理想中响应频率平直的喇叭时，耳膜所接收到的响应频率到底长什么样子，这样才能将耳机测量的数据回推判断，声音是否接近理想的平直曲线。 }7 H- X) ~9 q$ L3 x
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耳膜所接收到的声音由上面的叙述，我们已经可以了解到耳膜所接收的声音会受到很多影响，那到底耳膜所接收到的声音曲线长什么样子？底下我们先来看一下不同身体部位对声音的影响。5 K& h# P2 {/ _9 O
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不同身体部分对声音的影响，导致耳膜最终接收到的声音，并非如同喇叭单体所发出的原始声音，不同身体部分对声音的影响不同，颜色区块对应相对的颜色曲线，朵耳的形状、头部和躯干让接收到的声音产生变化，黑色实线是所有曲线的总和
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, ^# T# q$ ]2 m. C5 P6 W上面这张图显示不同身体部位对声音的影响，首先我们来看一下由黑色逗点组成的曲线，这个曲线代表着头部对声音的影响，在非常低的频率下，由于声波的波长比一般人的头来得长，所以声音在这个情况下不会受到太多影响。但是随着频率的上升，当声波的半波长小于头的宽度时，就会产生一个由头部造成的边界增益效应，使得声音响度上升的迹象，由图中可以看到在 300Hz 下头部对声音没有太多影响，但当频率到 1200Hz 时则出现大约 3dB 的增益。
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除此之外，躯干也会产生边界增益，由于躯干比头部来更宽大，所以增益会较早出现在较低的频率。图表中的虚线可以看到，增益发生的比头部影响的频率来得更低，但是由于耳朵并非直接连结在躯干上，并且躯干离耳朵有一小段距离，所以当半波长等于躯干和耳朵的距离时，会产生一个干扰性的反射。由虚线可以看到在 1kHz 到 2kHz 的中间音压反到些微下降，而超过 2kHz 的声波则会被躯干反射，所以对耳膜接收到的声音较无影响。
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其他具有颜色曲线则代表着耳朵不同部位对声音的影响，蓝色的曲线代表着外耳碗的集音效果，主要的影响区段是在中高频区段（大约 5kHz 处）；绿色曲线主要是呈现耳廓对声音的影响，由于较开放的结构和离耳道较远，所以影响的频率稍微比外耳碗来得低一些；红色曲线主要代表耳道对声音的影响，这部分的影响大多是由耳道和声音共振所产生，影响频率为大约耳道长度 1/4 波长的 3kHz，和耳道长度 3/4 波长的 9kHz 声音。" _" g' H3 w; {+ l/ ] @7 E
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藉由将上面所有的影响加总起来，我们就可以获得一个近似在无响场所、离 1 支平直响应曲线喇叭声音轴线 1 公尺时耳膜所接收的声音，这个加总的曲线在图表中以黑色实线表示，由于我们耳膜真正接收到的声音是这样，所以大脑会把这个曲线认为是平直的响应频率，当我们在测量耳机响应平率时，我们期望的并不是完全平直的曲线，而是如同上面图表黑色实线这样的响应曲线。
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潜在问题3 |& P: ?' u4 B T$ U* ^
5 ]: K+ c2 p" q& _5 n4 h* p# ]如同上段文章所说，为了能够将耳机测量的数据回推成类似喇叭测量的数据，自然必须建立一个标准耳膜接收频率响应曲线，这样才能知晓耳机是否能达到产生出平直的响应曲线，既然上段文章已经获得一个耳膜接收到平直响应曲线喇叭所生产的曲线，所以只要将测量的结果进行校正就可以了吧？理论上似乎是这样没错，但是我们回过头来看一下其他的问题。
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, J: S f. c3 E7 E8 d& @. S首先，耳机测量是使用一颗人工头和人工耳，但是由于每个人的身形、头型和耳朵形状有些许不同，测出来的曲线只能代表着大多数人平均下来的结果，所以个体差异是无法避免。不过这个问题的影响应该相对的小，毕竟多数人的耳型都非常相似，整体下来对声音影响差异比较大的地方应该是在 2kHz 到 3kHz 附近，主要是由耳管长度差异所导致，所以每个人对中高频的需求量可能有比较大的不同。
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另外，还记得喇叭响应曲线是如何测量的吗？收音麦克风放在喇叭轴线 1 公尺远，并且在无响室中进行测试，这个并不符合大多数人聆听喇叭的正常条件，这个只是制作喇叭时的一个规范。如果大家都造这个规范制作喇叭，理论上就能听到类似的声音，但这个问题在耳机测量中变得相当复杂。因为真实聆听声音时还必须考虑环境对声音的影响，例如当你在一个未特别处里的房间中聆听 1 对喇叭，声音会因应房间的大小在低频产生一些增幅，多数情况下房间越小对低频的增幅就越大。200Hz 以下的声音会变得较多而使得声音变得暖和，再来由于高频在空气中传递时能量散失较快，随着距离喇叭越远，高频也衰减得更多。/ D) p. ]: q' r" e' ^7 {2 x, c. ^4 l
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总结来说，耳膜接收到的声音会受离喇叭的距离和空间大小所影响，此外还有喇叭摆放角度和高度等等问题。
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耳机目标响应曲线（Headphone Target Response Curve）
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. |( h4 B9 [% l. ]" Y为了克服上面的问题，就开始有了一些较符合实际聆听情况的标准耳机目标响应曲线产生，比较有名的两个国际标准分别为：自由场（free-field）、扩散场（diffused-field）均衡曲线。自由场均衡曲线是代表着在无响室中，声音由前方 3 公尺远进入聆听者耳朵的情况下，耳膜所会接收到的响应曲线。但就如同上面所提到，很少人是在无响室的环境下聆听音乐，所以也只有极少数耳机使用自由场均衡曲线来当做制作的标准。
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为了更进一步解决上述的问题，后来就有了扩散场均衡曲线的出现，扩散场均衡曲线是代表在有反射、有扩散的空间下，耳膜所接收到的响应曲线。这样的耳机标准响应曲线，较能够反映正常聆听 1 对喇叭的情况，所以扩散场均衡曲线成为业界标准好一阵子，像是有名的 Sennheiser HD 600 就标注使用扩散场均衡曲线来进行调整。- I$ Q% k% a, C9 m6 @
& c' [; e* x6 Y, M4 ?! J0 b自由场（free-field）、扩散场（diffused-field）、方向无关性（independent -of-direction）均衡曲线，前两者是历史悠久的国际标准，扩散场均衡曲线被使用在多数的耳机设计上% k) W+ t' d2 ~* s
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$ T* ~. N. E+ @9 T* C虽然扩散场均衡曲线标准，似乎解决了长久以来耳机测量上的问题，但事实上多数现代的专业耳机厂商，都有自己一套目标响应曲线，大多数还是依循着扩散场均衡曲线标准来进行一些修改。不同品牌都有自己的调音哲学，并不能说哪个厂商的标准比较好，只能说每个品牌对声音的诠释有所不同罢了。$ g0 e0 J, n- K9 S4 s
8 Y& j4 _5 J, `- A- J/ v* W' |要看懂耳机频率响应图之前，还需要知道它能提供什么信息，耳机频率响应图主要是提供耳机的声调平衡度，让阅读者判断耳机各个频率能量分布的情况，耳机频率响应并不能当做判别耳机好坏的标准。- }/ S' @3 {0 h e" O y; i
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看懂耳机频率响应
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当第一眼看到耳机响应频率图时，必须注意的是两个轴所代表的意义，X轴大多代表着频率，使用赫兹（Hz）来表示，其中低音的范围为 20Hz～160Hz，而中频则包含 160Hz～2560Hz，2560Hz 以上到 20kHz 的范围都属于高音部分。有一些要解说的是，大部分的乐器和人声的基音都坐落在 160Hz～1280Hz 这个范围，多数人认为音高很高的女高音也只在这范围中，标准 88 键的钢琴最高音键的频率为 3950Hz，已经非常少乐谱写到这个范围，而高频区段则比较少基音的存在，大多是以乐器和人声的泛音组成。* k' L* D O- z1 a
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Y 轴则代表耳机在该频率下的响度，大多使用分贝（dB）来当作单位，这边要注意的是，有时候这个 dB 是代表绝对音量，但有时候是相对音量，端看制作图表的人想要如何表达，所以在观看频率响应图之前必须先弄清楚这个概念。
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不同频率在频率响应图表上的范围，大多数乐器和人声的基音都在中频的范围内
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