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轻松看懂耳机测量数据:频率响应

2017-6-13 17:01| 发布者: camix| 查看: 1905| 评论: 0|原作者: yazi

摘要: 有在关注耳机相关文章的朋友,大概都看过耳机相关的测量数据,其中包含「频率响应」、「阻抗值和相位」、「失真比」、「瀑布图」、「脉冲图」和「隔音能力」等等测量数据图表,但也许不一定清楚耳机测量本身就是个复 ...

有在关注耳机相关文章的朋友,大概都看过耳机相关的测量数据,其中包含「频率响应」、「阻抗值和相位」、「失真比」、「瀑布图」、「脉冲图」和「隔音能力」等等测量数据图表,但也许不一定清楚耳机测量本身就是个复杂的问题,会受到所使用的测量器材、测量环境和参数设定影响。

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。

HMS II.3 声学头,单个售价就高达两万元美金

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。

耳机频率响应

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。

频率响应的测量

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。

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。

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

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

潜在问题

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。

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。

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。

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。

耳机目标响应曲线(Headphone Target Response Curve)

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。

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。

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

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。

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。

看懂耳机频率响应

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。

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。

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

上篇说明了那么多背景资料,底下我们就开始用几个例子来解说耳机频率响应图,要特别记住不同测量仪器、方法和补偿等化曲线下,耳机响应频率的会有些许差异,所以不同网站提供的响应频率图并没有可比性。如果要比较不同耳机之间响应频率的差异,记得要使用相同出处的测量结果,以下的响应频率图是由网友 killkli 所提供,感谢他的分享,我们先来看几支被认为声音不错的耳机:

Sennheiser HD 650

Sennheiser HD650 是一支相当经典的耳机,也代表着早期好耳机的一个标准

首先我们就先从经典的 HD 650 开始,这是一支使用扩散场均衡曲线当做设计标准的耳机,相当适合作为第一支介绍的例子。首先注意一下图中的曲线为原始接收到的响应频率,要特别记住每个网站所使用的等化曲线可能有所不同,一般来说呈现补偿后的响应曲线时,红色代表右耳,蓝色代表左耳。我们这边只单纯地显示出未补偿的响应曲线,因为实际上没有一个补偿方式是完全正确的,所以我们这边介绍的是如何观看补偿前的响应曲线。

由图中的曲线我们可以看到在中低频处以 120Hz 为中心附近有些微的突起,这让 HD 650 有着较好的形体感,中低频量感也相对足够。而由 2kHz 开始到 5kHz 处有一个高峰,位置约略接近上述三种等化曲线进行补偿的频率,但由于 2kHz~5kHz 的高峰并未达到等同于耳朵和耳道带来的集音效果(约 17dB),显示出 HD 650 的声音会些许朦胧。5kHz 之后的高频音压渐渐下降并且低于整体音压水平,10kHz 之后的音压下降也对较为暗的音色有所贡献,这使得 HD 650 整体的声音较为偏暗,这也和多数人认识蒙着一层纱的表现相符。

如果有特别注意到,可以看到极低频部分似乎有一个滚降的现象,这是由于 70Hz 以下的声音大多是由共振所达成,耳机单体没办法直接发出如此低的频率。这种情况在开放式耳机中非常常见,但大部分的人不会去抱怨这个问题,你很少听到有人说 HD 650 低频不足,有一部分原因是因为多数耳机玩家已经习惯这样的声音表现。

Philips Fidelio X1

Philips Fidelio X1 是近期少见以丰厚中低频著称的开放式耳机

再来我们来看另一个优良的好耳机,从图表中曲线我们可以看到 Philips Fidelio X1 的中频在响应曲线上也没有出现剧烈的变化,这让 Philips Fidelio X1 的中频听起来声音会格外滑顺。70Hz 以下的声音快速的衰退,这和大多数开放式耳机相似,整体下降幅度较大也让 Philips Fidelio X1 的低频呈现出一个较松软、不凝聚的型态。

由 70Hz 到 1kHz 的区段显示出一个渐渐下降的曲线,这显示出一个篇下盘的中频,男声听起来浑厚饱满,后续从 2kHz 到 7kHz (以 4kHz 为中心) 的波峰并没有达到足够的响度,这显示出 Philips Fidelio X1 会是一支偏暖的耳机,3kHz 的凹陷可能是由于耳罩的共振问题所致,和配戴的密合程度有很高的关联。

Philips Fidelio X1 在 7kHz 之后维持着较高的音压,并且一路延伸到 10kHz 附近,10kHz 又出现另一个小高峰,这让 Philips Fidelio X1 出现颗粒感较重的声音,不过也让声音不会如同 HD650 那般朦胧,但这也让 Philips Fidelio X1 的高频质感偏生硬,在表现一些极高频的乐器可能会有些刺耳、不自然。

Stax SR-404

静电耳机拥有和动圈耳机截然不同的发声原理,在实际的表现上也大不相同

接下来我们来看一下 Stax SR-404, SR-404 和上面介绍的耳机不大一样,SR-404 使用的是静电单体,这也使得它和传统的动圈耳机声音有很大的不同,静电耳机在一般的认知下是缺乏低频,这在新式的静电耳机中有些许改善,但由于 SR-404 是早在 1999 年被设计的产品,也刚好符合大众对静电耳机缺乏低频的印象。

从图表上来看,我们可以发现 SR-404 的低频真的非常少,整个单体从 70Hz 后就急遽下降,使得 SR-404 无法表达出低频该有的震动感。在中频的区段,SR-404 有一个以大约 100Hz 为中心突起的波峰,这部分会造成人声相对的突出,使得音乐都以人声为主在打转,另外由图表中可以发现在 2kHz 处有一个小小的抬升,会让人声的唇齿音较为明显。

高频部分可以发现 SR-404 在 3kHz 后如同其他耳机一样渐渐升高,并且维持着不错的形状和没有过多的变化直到 8kHz 出现一个急遽下降,然后在 10kHz 处的音压有些许回升,使得声音不至于因为 8kHz 的凹陷受太大影响,10kHz 后的能量相较于其他耳机也略高,并且拥有非常好的延伸能力,让声音变得较清脆亮丽。

结语

希望藉由以上的背景知识论述和实际例子,能够帮助大多数读者了解如何判读耳机响应频率图表,由上述的介绍应该可以看出即便小小的响应曲线变化,都有着非常巨大的听感差异,而有些耳机看起来响应频率相似,但声音却有很大的不同,这也是由于有不少其他因素无法在响应曲线图表中被表现出来,并且耳机真正的表现好坏,也无法单由响应频率来判定,还必须搭配其他更加细项的图表来分析,本篇我们只专注在介绍耳机响应频率,如果将来有机会,笔者会继续介绍其他细项图表的阅读方式,还请大家继续关注。

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