4fab980d37ea433665f165f8dd8f8e65 有在關注耳機相關文章的朋友,大概都看過耳機相關的測量數據,其中包含「頻率響應」、「阻抗值和相位」、「失真比」、「瀑布圖」、「脈衝圖」和「隔音能力」等等測量數據圖表,但也許不一定清楚耳機測量本身就是個複雜的問題,會受到所使用的測量器材、測量環境和參數設定影響。

整個過程非常耗時耗工,加上測量的專業器材相對昂貴,像是國外 Innerfidelity 所使用的 HMSII.3 聲學頭售價就超過兩萬元美金,這還不包含後續接收、分析儀器,使得只有少數單位能夠提供穩定且完整的耳機測量數據。


▲HMS II.3 聲學頭,單個售價就高達兩萬元美金。(圖片來源:Head-acoustics官方網頁)

好在隨著網路的發達,越來越多網站提供量大且質精的測量數據,於是乎如何判讀耳機測量數據就成了相當重要的技巧,雖然耳機測量數據並不能夠直接決定耳機的好壞,但能夠幫助我們了解耳機是否有任何明顯的設計錯誤,和提供耳機的音色走向供我們參考。底下筆者將會介紹如何判讀耳機測量數據,本篇文章內容部分譯自 Innerfidelity 的響應頻率介紹文章,希望能幫助各位讀者了解耳機測量圖表,首先我們就從最常見的耳機響應頻率開始介紹。

耳機頻率響應

在開始討論耳機響應頻率之前,我們應該先來探討一下耳機的響應頻率是如何測量,大家必須有一個概念,就是耳機的響應頻率測量比喇叭來得困難許多,主要是因為耳機的響應頻率測量,並不能使用簡單的麥克風測量。

頻率響應的測量

一般在測量喇叭響應頻率時,業界的標準是將喇叭單體放置於國際電工委員會標準障板上,或是將喇叭音箱放置在離地 1~1.5 公尺的高度,然後將麥克風放置距離喇叭 1 公尺的中心軸線上,並且在無響室內進行測量,一個精準的喇叭理論上該提供平直的響應曲線,這是業界測試喇叭頻率響應的標準。

而不同於喇叭的測量,耳機的測量必須去模擬使用者真實聆聽的情況,需要將一對麥克風放置在假人頭模型的耳中,來模擬人耳實際聆聽的狀況,所以當我們提到耳機測量時,實際上是測量類似人類耳膜接收到的聲音。



▲喇叭測量和實際聆聽情況的不同,一個理想中平直響應喇叭所發出的聲音,在真正到達耳膜前會受到身體不同部位的干擾。

而其中最大的不同點,是耳膜所接收到的聲音,並非等於喇叭單體所發出的聲音,耳膜所接收到的聲音會受到頭型、脖子、軀幹、耳朵集音效果和耳管共振放大所影響。所以在測量耳機響應頻率之前,我們必須明確的知道,當聆聽理想中響應頻率平直的喇叭時,耳膜所接收到的響應頻率到底長什麼樣子,這樣才能將耳機測量的數據回推判斷,聲音是否接近理想的平直曲線。

耳膜所接收到的聲音

由上面的敘述,我們已經可以了解到耳膜所接收的聲音會受到很多影響,那到底耳膜所接收到的聲音曲線長什麼樣子?底下我們先來看一下不同身體部位對聲音的影響。


▲不同身體部分對聲音的影響,導致耳膜最終接收到的聲音,並非如同喇叭單體所發出的原始聲音,不同身體部分對聲音的影響不同,顏色區塊對應相對的顏色曲線,朵耳的形狀、頭部和軀幹讓接收到的聲音產生變化,黑色實線是所有曲線的總和。(參考Handbook of Sensory Physiology (Vol. 1)

上面這張圖顯示不同身體部位對聲音的影響,首先我們來看一下由黑色逗點組成的曲線,這個曲線代表著頭部對聲音的影響,在非常低的頻率下,由於聲波的波長比一般人的頭來得長,所以聲音在這個情況下不會受到太多影響。但是隨著頻率的上升,當聲波的半波長小於頭的寬度時,就會產生一個由頭部造成的邊界增益效應,使得聲音響度上升的跡象,由圖中可以看到在 300Hz 下頭部對聲音沒有太多影響,但當頻率到 1200Hz 時則出現大約 3dB 的增益。

除此之外,軀幹也會產生邊界增益,由於軀幹比頭部來更寬大,所以增益會較早出現在較低的頻率。圖表中的虛線可以看到,增益發生的比頭部影響的頻率來得更低,但是由於耳朵並非直接連結在軀幹上,並且軀幹離耳朵有一小段距離,所以當半波長等於軀幹和耳朵的距離時,會產生一個干擾性的反射。由虛線可以看到在 1kHz 到 2kHz 的中間音壓反到些微下降,而超過 2kHz 的聲波則會被軀幹反射,所以對耳膜接收到的聲音較無影響。

其他具有顏色曲線則代表著耳朵不同部位對聲音的影響,藍色的曲線代表著外耳碗的集音效果,主要的影響區段是在中高頻區段大約 5kHz 處);綠色曲線主要是呈現耳廓對聲音的影響,由於較開放的結構和離耳道較遠,所以影響的頻率稍微比外耳碗來得低一些;紅色曲線主要代表耳道對聲音的影響,這部分的影響大多是由耳道和聲音共振所產生,影響頻率為大約耳道長度 1/4 波長的 3kHz,和耳道長度 3/4 波長的 9kHz 聲音。

藉由將上面所有的影響加總起來,我們就可以獲得一個近似在無響場所、離 1 支平直響應曲線喇叭聲音軸線 1 公尺時耳膜所接收的聲音,這個加總的曲線在圖表中以黑色實線表示,由於我們耳膜真正接收到的聲音是這樣,所以大腦會把這個曲線認為是平直的響應頻率,當我們在測量耳機響應平率時,我們期望的並不是完全平直的曲線,而是如同上面圖表黑色實線這樣的響應曲線。

潛在問題

如同上段文章所說,為了能夠將耳機測量的數據回推成類似喇叭測量的數據,自然必須建立一個標準耳膜接收頻率響應曲線,這樣才能知曉耳機是否能達到產生出平直的響應曲線,既然上段文章已經獲得一個耳膜接收到平直響應曲線喇叭所生產的曲線,所以只要將測量的結果進行校正就可以了吧?理論上似乎是這樣沒錯,但是我們回過頭來看一下其他的問題。

首先,耳機測量是使用一顆人工頭和人工耳,但是由於每個人的身形、頭型和耳朵形狀有些許不同,測出來的曲線只能代表著大多數人平均下來的結果,所以個體差異是無法避免。不過這個問題的影響應該相對的小,畢竟多數人的耳型都非常相似,整體下來對聲音影響差異比較大的地方應該是在 2kHz 到 3kHz 附近,主要是由耳管長度差異所導致,所以每個人對中高頻的需求量可能有比較大的不同。

另外,還記得喇叭響應曲線是如何測量的嗎?收音麥克風放在喇叭軸線 1 公尺遠,並且在無響室中進行測試,這個並不符合大多數人聆聽喇叭的正常條件,這個只是製作喇叭時的一個規範。如果大家都造這個規範製作喇叭,理論上就能聽到類似的聲音,但這個問題在耳機測量中變得相當複雜。因為真實聆聽聲音時還必須考量環境對聲音的影響,例如當你在一個未特別處裡的房間中聆聽 1 對喇叭,聲音會因應房間的大小在低頻產生一些增幅,多數情況下房間越小對低頻的增幅就越大。200Hz 以下的聲音會變得較多而使得聲音變得暖和,再來由於高頻在空氣中傳遞時能量散失較快,隨著距離喇叭越遠,高頻也衰減得更多。

總結來說,耳膜接收到的聲音會受離喇叭的距離和空間大小所影響,此外還有喇叭擺放角度和高度等等問題。

耳機目標響應曲線(Headphone Target Response Curve)

為了克服上面的問題,就開始有了一些較符合實際聆聽情況的標準耳機目標響應曲線產生,比較有名的兩個國際標準分別為:自由場(free-field)、擴散場(diffused-field)均衡曲線。自由場均衡曲線是代表著在無響室中,聲音由前方 3 公尺遠進入聆聽者耳朵的情況下,耳膜所會接收到的響應曲線。但就如同上面所提到,很少人是在無響室的環境下聆聽音樂,所以也只有極少數耳機使用自由場均衡曲線來當做製作的標準。

為了更進一步解決上述的問題,後來就有了擴散場均衡曲線的出現,擴散場均衡曲線是代表在有反射、有擴散的空間下,耳膜所接收到的響應曲線。這樣的耳機標準響應曲線,較能夠反映正常聆聽 1 對喇叭的情況,所以擴散場均衡曲線成為業界標準好一陣子,像是有名的 Sennheiser HD 600 就標註使用擴散場均衡曲線來進行調整。



▲自由場(free-field)、擴散場(diffused-field)、方向無關性(independent -of-direction)均衡曲線,前兩者是歷史悠久的國際標準,擴散場均衡曲線被使用在多數的耳機設計上。(圖片來源:Head-acoustics官方網頁)

雖然擴散場均衡曲線標準,似乎解決了長久以來耳機測量上的問題,但事實上多數現代的專業耳機廠商,都有自己一套目標響應曲線,大多數還是依循著擴散場均衡曲線標準來進行一些修改。不同品牌都有自己的調音哲學,並不能說哪個廠商的標準比較好,只能說每個品牌對聲音的詮釋有所不同罷了。

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PCABC
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1.  PCABC (發表於 2015年8月19日 11:21)
難怪很多耳機都要改入耳式

這樣可以減少個體差異吧
Yazi
2.  Yazi (發表於 2015年8月19日 13:09)
※ 引述《PCABC》的留言:
> 難怪很多耳機都要改入耳式
>
> 這樣可以減少個體差異吧

這也是一個考量,不過更大的部分是由於使用者習慣的轉變

外出時需要更好的隔音性和攜帶性,而這兩項剛好是入耳式的專長

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