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[转帖] 音频知识科普:解读耳机的客观测量数据

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发表于 2010-7-15 14:34:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
音频知识科普:解读耳机的客观测量数据
! O$ [% p! M6 m0 ]
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  z( f( O/ x! H  u$ w" M/ ~5 @, X. I相信不少煤油们在购买耳机的时候都会遇到不知道如何下手的情况。这原因很多,可能是身边没有一位阅机无数的发烧友做建议,可能是自己懒,不想到试听店试听,可能是找不到耳机的客观数据或者它太过于复杂,不知道如何通过它分析耳机的好坏,甚至是连什么才算好什么才算坏也不清楚。本文就凭我对音频和耳机的认识,分享一些我的经验。
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本文主要是阐述一些音频科学知识,并且讨论如何通过耳机的客观测量数据来预判耳机的声音特性,以下概念会在本文中用到:频响特性,阻抗,总谐波失真(+噪声),脉冲响应,隔音谱,方波响应,电压灵敏度,功率灵敏度。# _" m* F; t! r! k; x* ~2 x+ }- T, Gwww.audioapp.cn  audio app

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如果对这些概念感到陌生,可以参考以下两篇文章:
2 h) w1 o: `8 Y% k) W# L9 p! P) n3 j- B0 t: Awww.audioapp.cn  audio app

- 频响特性,总谐波失真(+噪声):音频知识科普1:解读音频播放器的客观评测数据1 f- B3 h5 Y! g: ~" i$ i# F; V! Mwww.audioapp.cn  audio app

- 阻抗,电压灵敏度,功率灵敏度:通过耳机阻抗和灵敏度判断播放器能否推响的简单方法5 j" K+ p% V! ^: c6 j* ewww.audioapp.cn  audio app


3 m/ P9 H9 g. |& J+ A; O1 e另外在解释的时候,还会用到自由声场、散射声场、头部相关传递函数(HRTF)这些概念,其中HRTF是个很重要的概念。如果对这些概念已经熟悉了,可以直接看第四部分。
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一、人耳是怎么听声音的?真正的HiFi是否存在?6 v# M) G2 F0 v7 O0 E8 P' G' Swww.audioapp.cn  audio app

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先说结论:9 R% t8 z; q1 w8 f7 I$ X+ _www.audioapp.cn  audio app

1、人耳听到的声音都是被扭曲的。
. J" N  P( l0 s4 c6 y2、大都数情况下制约声音准确还原的最大因素,不是播放器,不是耳机,而是录音。
( _0 L% |4 ]! h: C' z6 @4 B3 _
0 E2 a3 s! y7 f0 p为了解释这个事实,先来看看人耳是怎么听到声音的:
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2 w( W8 I; c. I' j" D( M, T- @ 053855njjz6smjfk5kxhj6.png ! `; M% R9 i7 X$ Wwww.audioapp.cn  audio app

图1
: E& p2 O7 M: f6 r! H( y0 v
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- _$ \2 ]& F+ H% E# Z3 @  O, v图2
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4 P: D$ _/ F, P6 b, ?8 Z图1示意了人耳的听音环境:声源(用喇叭来表示)发出声音,声音要受到房间墙壁,器具等的吸收和散射。声波进入鼓膜前(图中E1, E2点),还要受人体的反射、折射和衍射而扭曲变形。
; ]; b% U+ H/ G0 g
" a2 o. C  X- X1 I2 y$ k! Z如果不理解为何人耳会扭曲声音,可以看图2:如果我们把人的头部和耳廓比喻成一座山,耳道比喻成一个山洞,鼓膜比喻成山洞里边的人,那么处于山洞外面的声源发出的声音,在山洞外面听和在山洞里边听声音是很不相同的。这表明人耳听到的声音经过了山洞的调制而变得不同了。& L  V! p% K/ t7 wwww.audioapp.cn  audio app

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环境因素也是同样重要的,譬如在大草原上听对方唱歌和在浴室里边关着门听的差别还是很大的。环境是多种多样的,不过有两种情况是比较典型的:自由声场和散射声场。. A, I9 e7 T8 s$ r6 N$ x8 Nwww.audioapp.cn  audio app

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自由声场指的是声源单一,足够大的房间完全吸音,没有任何声音反射的声场,此时声音可以理解成是从单一方向进入人耳的。/ ^3 v" [; B% `8 X( f5 e% Zwww.audioapp.cn  audio app

1 S" `1 u+ @; J+ f  awww.audioapp.cn  audio app

散射声场是用混凝土作为足够大的房间的墙壁材料,里边放置多个声源,到处都存在声音反射的声场,这使得声音能各向同性地进入人耳。
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- ~5 @- J/ S4 {6 D1 Q声源不同的位置和朝向也会给听者带来不同的听感。
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总而言之,声源、环境、耳朵是作为一个整体而存在,这个整体与人听到的声音有着密切的关系。严格来说耳朵也是环境的一部分,在下面讨论入耳式耳机的时候就会体现得很明显。
4 s' Z& @% K' T: y1 h3 r$ u5 o9 o8 o* Zwww.audioapp.cn  audio app

那么这个整体会把声音扭曲成怎样呢?
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图3, h# c* l3 q2 q+ P$ G0 q/ V* owww.audioapp.cn  audio app


0 N: c8 A# c0 z* d' N- J8 e4 q 234411csz9ss8v82gzl112.png 5 L" u" X; m& `7 P7 `- }www.audioapp.cn  audio app

图41 ?8 n+ e: G! B1 [www.audioapp.cn  audio app


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这个曲线是这样测量的:在消音室里边放置扬声器和麦克风(如图3左上角),扬声器需要被校准,使得它在房间里边的频响是平直的(如图3红线所示)。再把麦克风换成一个假人头(如图3左下角),假人头的鼓膜处安装有一个麦克风,在这种情况下测量麦克风接收到的频响曲线,结果如图3蓝线所示。6 C( x% Q/ y4 Pwww.audioapp.cn  audio app


  d7 f2 k6 _* e3 c  O3 s9 r可以看到人耳听到的声谱是不平直的,譬如在2700Hz处有明显的增强,而且有18dB之多。可见人耳听到外界的声音是扭曲的,而且还很严重。这种扭曲可以看做一个变换关系,把它称作“头部相关传递函数(Head-related transfer function, HRTF)”。通过HRTF,可以把无人头时的声场值变换成有人头时鼓膜处的声场值。
" C/ `8 z& e2 v' k8 P0 Z: k& w8 T5 Q: W0 S% u6 |6 Z3 V/ Swww.audioapp.cn  audio app

另外,这个曲线在自由声场下与在散射声场下的测量结果是不同的,声源摆放的方位不同结果也不同,换另外一个型号的假人头也不同。如图4所示,它展示了声源处于多个角度测量出来的结果,结果都是不同的,在90°的情况下频响还出现了两个峰。图3、4展示的是自由声场的情况,图5展示的是散射声场的情况。声源遍布房间,声音到处反射,各个方向地入射到人耳里边(如图5左)。从图5右可看出,散射声场和自由声场的频响是不同的(蓝线)。不过有趣的是,如果把自由声场在各个方向的频响平均起来(红线),就得到了散射声场的结果。这其实也是容易理解的。
* E- N/ N6 R- g: @. V& R) t
1 b# a3 O( B1 Q由以上的讨论可知HRTF依赖于声源、环境、耳朵这三要素。由此也体现了这三要素是一个整体,不能分开来看待。
" [+ ~3 E  P/ C+ r$ q( w* \6 S
5 l: p% T/ Y3 O8 y0 P% A说明了人的耳朵是如何听音之后,就不难说清楚为何HiFi的关键是录音了。: e' p1 U. A% s% C+ p% Lwww.audioapp.cn  audio app

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这原因很简单,因为录音的麦克风通常都是在人头的外面(譬如图1中的M1, M2点,这个人头可以是假人头也可以是真人头),而不是在鼓膜(E1, E2点)。
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从物理原理上讲,在仅知道M1、M2点的声场值的情况下是无法推算出E1、E2点的声场值的。这就好比如想拍一个妹子的正面照,结果拍了侧脸,那么就只能靠PS高手把侧脸PS成正脸了。然而,这种PS是不严格的,它只是一种艺术,一种想象,一种创作,并没有正确的答案。同样地,耳机(准确来说是耳机和人耳的共同体)要做的就是要把这个声音利用HRTF进行变换,变换成E1, E2两点的声场后给我们聆听。
7 l* [3 x$ J) j8 R
1 _. D. b1 Y, n! E然而正如上面所说,HRTF是多种多样的。对于不同的M1, M2点,不同的声源位置,不同的场景,不同的人耳结构都会导致HRTF不同。耳机厂商不可能知道你所听的音乐是在哪些点录制的,对于声源位置、场景布置、耳朵结构更加是一无所知。不同的厂商,不同的耳机,有自己一套风格的HRTF,这使得不同耳机的风格迥异。但是,没有哪种能说是对的,因为严格来说在录音的时候就已经犯错了。
) F* T6 A3 I5 I6 u& R, a
' n* @9 G, ~5 X% H) u另外要再次强调的是HRTF跟人耳结构是密切相关的。换句话说,同一个耳机不同人听,HRTF是不同的,所以不同人对同一款耳机的评价存在分歧是很正常的。这正如一副专门为我配好的眼镜戴到别人头上可能会模糊不清,甚至会头晕目眩一样。耳机,严格来说是需要定制的,而且不仅要对人耳进行定制,还要对录制这首歌时的声源和环境进行定制,这显然是不现实的。  l1 ?/ L4 J9 a! Pwww.audioapp.cn  audio app


4 r0 r1 t: p$ y( Y+ [; b6 m6 X那么如果把录音的位置改成在E1, E2点呢?答案是可以的,而且在理想情况下可以使听者获得完全无异于现场的临场感,达到区分不了现实和虚拟的程度。这种录音方法叫做人头录音。它需要把人头模型放在现场,而且麦克风安装在鼓膜处(E1, E2)。但是它有很多缺点,使得这么多年来人头音乐一直无法得到推广。其中一个很重要的原因就是因为HRTF对于不同的人耳有明显的差别。8 e! A6 n' T& \' L" qwww.audioapp.cn  audio app

( i4 `: t8 C" u" Ewww.audioapp.cn  audio app

总之,如果录制的时候不是采用人头录音,那么以现有的通过耳机来播放的方法是不可能HiFi的,哪怕播放器和耳机有多高端都无济于事。
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 楼主| 发表于 2010-7-16 09:14:03 | 显示全部楼层
二、什么样的HRTF才是理想的?
5 a7 G! @/ Y% W 014737gs44v1bshcsb4ms3.jpg!origin1080.jpg 3 I1 N! k# ~  B7 H/ v% K8 r1 Ywww.audioapp.cn  audio app

图6
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/ k6 f3 ]; K2 L3 o) o# k# X图7; l1 M* J4 q- e, g3 ewww.audioapp.cn  audio app

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2 l/ E: H) Y1 wwww.audioapp.cn  audio app

在大部分情况下,我们不会在消音室或者散射室里边听音乐,所以自由声场和散射声场的HRTF虽典型但实际意义不大。所以我们需要一个有实际意义的HRTF,于是把测量的房间换成一个通常的听音室,假人头放在通常聆听音乐的位置,前面放一对扬声器(如图6所示)。这对扬声器需要事先在这个房间里校准使得频响平直。测量结果如图7的绿线,可见它与自由声场和散射声场是有区别的。4 x2 C3 K9 r* ?1 ]www.audioapp.cn  audio app


; Z" O$ \; S  w8 h( e上面的讨论都是客观的,现在来点主观的。大部分人戴耳机听音乐都喜欢低频有点上抬,高频不要太刺耳,所以就有了以黑线为代表的主观理想频响曲线,这叫做Harman目标曲线。这条黑线与绿线还是有些区别的。这个Harman目标曲线很重要,是接下来通过频响判断耳机风格的重要依据,所以需要详细说明。这部分多数译自Tyll Hertsens的原话,为了结合本文某些地方做了改动,大意不变:假设用200Hz处的响应作为0dB参考线:5 z! Z' L; Z& pwww.audioapp.cn  audio app


( A* a% Z9 ^! G: A200Hz以下低频上抬到60Hz处为止,60Hz以下保持+4dB的水平。
. c% M/ r  G) ?从200Hz到1.2kHz,频响会有+3dB的轻微上抬。* i* U, H" j% w; Qwww.audioapp.cn  audio app

理想状态下主峰在3kHz±500Hz附近,如果这个峰太高,那么声音听起来将会相当刺耳。
2 y* y/ Y+ n) s0 N+ ?- @' n3 N5 n5 F9 R3kHz到10kHz的下降是平滑的,但对于大多数的耳机+人耳系统要实现这个目标是很难的。如果测量曲线能大致符合Harman目标曲线的走势,且在10kHz附近回到0dB的水平,那基本是可以接受的。在这一段的过度越平滑,声音听起来就会越好。& |) u" Z2 Z2 H2 J2 |4 P3 Fwww.audioapp.cn  audio app

10kHz之后曲线继续下降,到接近20kHz的地方为-13dB。
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% r: {% t( c0 W1 H" M) y& C
- s! ]/ \& o+ p% jTyll Hertsens还指出了它的一些经验:+ L9 b8 H$ [. v- W( o9 iwww.audioapp.cn  audio app

, n9 S+ j) m& ?1 k$ ~- ^; D3 Swww.audioapp.cn  audio app

我认为低频多了点,我觉得3dB会更好。我同意低频增强应该在200Hz以下,如果超过200Hz,那么你会开始觉得声音会厚得不自然。1 N! A( C: H. P+ W/ f% u/ Twww.audioapp.cn  audio app

从200Hz到1.2kHz的3dB提升在耳机+人耳系统里边是很稀有的,我确实无法判断这究竟是对还是错。这个抬升主要来自于头部和躯干的相互作用,与耳机关系不大。所以我认为这个属性需要包含在耳机里(意思是耳机需要模拟这个效应),但是可能很难去实现。0 j2 i/ d( F1 ~3 \# J6 K& Uwww.audioapp.cn  audio app

我认为在3kHz处+12dB的数值有点高。我更希望这个峰在10-12dB之间,超过这个数值恐怕耳朵就受不了了。0 \7 |' p8 A$ @: Z, Mwww.audioapp.cn  audio app

虽然耳机测量数值在3kHz以上会比较振荡且有很多峰和谷,但是如果能看到在10kHz处有0-3dB之间的数值就是一个挺好的结果了。由于耳道的共振,在10kHz附近看到一个峰是很正常的。万一这个峰离开了0-3dB的范围,如果附近频率的数值依然与Harman目标曲线接近,那么也是可以接受的。
! B$ }/ L) [: Q; K. f在10kHz以上,耳机+人耳系统曲线与人的主观感受很难联系起来,因为这一段曲线的走势太振荡了,这是由太多烦人的共振造成的。不过我认为这个理想曲线掉得太快了,我认为10kHz以上是下降的,但是应该下降到-10dB就够了。
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# l/ x6 W" V" ^* P8 H三、耳机要怎么做才能让我们听到理想的声音?; F8 e. V  t* Q' B) `* V" O! c+ kwww.audioapp.cn  audio app

170306b7y0mxl3pzbl1opb.jpg!origin1080.jpg # f9 r) K2 o4 [# W$ T# E9 cwww.audioapp.cn  audio app

图8
5 f$ M; `& h# d" Y# Z7 [* d3 I6 k# {: F3 D. Kwww.audioapp.cn  audio app

4 [( t, R; t  {! Ywww.audioapp.cn  audio app

上面介绍的都是在现场聆听或者音箱聆听的情况,现在我们来考察一下当我们用耳机聆听的时候会有什么差别。音频界多年的经验积累总结出了这样的结论:一个好的耳机,它听起来应该像一个好的音响在一个好的房间里那样。其实这个结论透露出一种无奈:因为录音时犯下的错误,使得耳机无法精确还原现场的声场。为了让听者听得舒服,才迫不得已使用这样的方法来调音。# E1 L9 d4 @9 K- Pwww.audioapp.cn  audio app


' D' Z4 C- r& o2 m0 q, Z1 u如图8所示,细心的读者相信不难发现当入耳式耳机塞住耳道的时候,声音出不去所以不可能与房间相互作用。另外,耳廓完全暴露在声场的外面,如图2所示的耳廓效应被绕过去了。原来开放的耳道变得闭合了,耳道的声学性质改变了。因此入耳式耳机需要模拟耳廓效应,需要模拟开放耳道的声学特性,需要模拟录音时的声源和环境。7 j" \/ l5 \. ^www.audioapp.cn  audio app


7 G' K1 D' c! z+ g; A0 J7 V通常来说,如果声源、麦克风、散射体之间的距离两两都离得足够远(意思是距离比起它们各自的线度和声音的波长都足够大),那么散射体性质的微小改变对麦克风录制到的声音的影响是不大的 。这其实不难理解,譬如甲和乙在一间数百平方米的房间里隔着十几米在谈话,中间5米的地方走过一只猫,那么这个猫的存在与否都对听者的听感没什么影响。这种情况下,声音前进的流程可以简单地表述为:声源发声-->环境散射-->人耳扭曲声场-->鼓膜接收声音。反之,如果甲和乙在小房间里边挨着说悄悄话,如果在两人之间钻过一只猫,那么对声音的影响就很大了。这种情况下,声音前进的流程就不明确了,声源、环境、人耳会互相作用,不再是单向的流程了。2 _/ p3 x7 y3 D% T& A* E; F7 Dwww.audioapp.cn  audio app

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运用这个结论就知道入耳式耳机的难处了:此时“房间”和人耳已经合体了,它是一条狭窄短小的耳道,耳机振膜和鼓膜的距离很近。耳道哪怕有一点点的变动,都会对声音产生很大的影响。调音师按照他的耳朵把声音调好了,放到别人的耳朵里听起来就完全不是那回事了。常听入耳式的朋友应该都有这样的体会:换一个耳套声音就变了,耳套塞得紧一些低频就强了,耳屎多了低频就变了。这充分体现了入耳式耳机的音质随环境变化的高灵敏度特性,这是入耳式的劣势。同时这个特性会导致入耳式耳机的测量结果容易让人困惑。这个在下面第四部分会看到。
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那么封闭式头戴呢?封闭式头戴包住了耳廓,耳廓效应天然地包含在里边了,耳道也变得相对开放了,不再需要大幅度地模拟耳廓效应和开放耳道特性,同时“房间”大了,振膜和鼓膜的距离也远了。这使得音质随环境变化的灵敏度下降了。然而要说明的是耳廓效应和开放耳道特性还是需要模拟的,因为这个“房间”还是小,振膜和鼓膜还是不够远,振膜、耳道、鼓膜依然会互相作用,耳廓效应和耳道特性还是跟在大房间里不同的。# S7 p4 m/ Z7 }www.audioapp.cn  audio app

7 l! Z0 x3 M. _2 g: y* U  Hwww.audioapp.cn  audio app

开放式头戴是开放的,耳道和外界相通了,这使得等效的“房间”更大了,声音前进流程的单向性增加了。音质随环境变化的灵敏度更小了。所以一切都更好了。开放式头戴有着最稳定最自然的声音,这是它的优势。9 w' m/ \' C# |+ k& bwww.audioapp.cn  audio app


$ S5 `0 {; x4 l# L& U" }! H# b四、利用测量数据判断耳机声音特性6 k* H; Q! w  d& cwww.audioapp.cn  audio app


/ `& Z8 K$ H( Q6 Z* b) k! w下面是innerfidelity测量的耳机客观数据表,各个曲线和数据的意义已经标明:
6 K  Y8 T9 e( m) c0 g$ e: Z
, \' E8 \' L9 D; G 050828dzdsuaxdasxsxzed.png
  W, ?" j" Y( y+ u1 `$ F* a图94 h: {$ |9 J7 g" k9 k0 k; Mwww.audioapp.cn  audio app

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2 i" E+ _; Y7 J$ i. Swww.audioapp.cn  audio app

Tyll Hertsens在测量并通过客观数据分析耳机声音特性这方面做了几十年的工作,在这方面有着很多经验积累。我从他的文章里受益良多,但是他的文章里有些概念没有说清楚,有些地方缺乏让人容易理解的例子或者解释得有点难懂,这些我都试图按照自己的理解来阐述。由于他分析的实例很多,也没必要一一列出,故只列出我认为比较有代表性的。如果能看懂英文并且有兴趣的朋友,可参考他的原文:' H6 a4 k4 e3 ywww.audioapp.cn  audio app

Headphone Measurements Explained - Frequency Response Part Two
( R' ]: n' E9 z: m9 FHeadphone Measurements Explained - Total Harmonic Distortion Plus Noise Part 2$ R' s( y- \+ _6 t8 o7 S- S' ~8 wwww.audioapp.cn  audio app

Headphone Measurements Explained - Electrical Impedance and Phase1 E) O* @$ G- gwww.audioapp.cn  audio app

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 楼主| 发表于 2010-7-16 09:14:55 | 显示全部楼层
1、频响特性:这是十分关键的一环,能够解读这个曲线就能对耳机的风格有不少的认识。频响当中灰线代表直接测量的结果,蓝线和红线是灰线经过Harman目标曲线反向补偿的结果,分别代表左声道和右声道。如果灰线和Harman目标曲线一样,那么补偿的结果应该是一条平直线。以下用几款耳机作为例子,演示如何通过这个曲线来分析耳机的风格,由于Harman理想曲线至今一直在研究,而且目前耳机频响还是很难做到Harman目标曲线那样,所以看灰线会比红蓝线来得更容易分析。以下的例子主要参考Tyll Hertsens的叙述:
9 ~/ }+ n! ?9 c; s0 Y7 D0 N. W
" j+ B& _( d6 t+ v; c/ Q1 k' v* g6 `Sennheiser HD 580:/ }( Z; [4 ]2 L, h' k) m% Cwww.audioapp.cn  audio app

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+ G* x2 D/ l- {( U0 K- ^6 S
( P6 C! i$ }# L% G( A+ ]" D图10我们还是把灰线的200Hz的频响值看成0dB(基准线)。可以看到在3.3kHz有一个+12dB的峰,这很好,符合Harman目标曲线。不过3.3kHz之后掉得有点深了,到了10kHz就刚刚回到0dB的水平。这会导致HD 580听起来声音有点松散,当然这个耳机总体是好声音的,就是声音比较内敛。另外低频非但没有上抬,反而有所下降,所以这个耳机的低频量是偏少的。& i( w4 e/ |  L* R& Bwww.audioapp.cn  audio app

  @0 Y: F3 E5 ^www.audioapp.cn  audio app

AKG K701:
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) O3 M& k( r8 d, g/ ~4 H8 S" owww.audioapp.cn  audio app

) q: d  Q: E) d) ~www.audioapp.cn  audio app

图11可以看到在3kHz附近并没有明显的峰而是一个平台,这个平台只有+8dB,更重要的是在3kHz以上并没有明显的衰减,在5kHz附近甚至依然是+8dB,从此之后才降到10kHz的0dB附近。这表明K701比HD 580的高频能量偏多。另外,在300Hz附近有一个驼峰般的线型,而HD 580在120Hz左右,300Hz比120Hz高出超过一个八度,这意味着所强调的频率中心不同。听感上HD 580的会更暖而K701会更冷。
' v2 ?5 A1 _( o) z7 f* D7 [) H
. G1 G( Z. x5 O; H/ i: oBeyerdynamidc DT 880 600 ohm:
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0 A. @0 k5 _2 Z4 F: H. q  Y  K& ~6 a, v1 C3 h* jwww.audioapp.cn  audio app

图12DT 880在3.5kHz之前的特性和HD 580差不多。3.5kHz往上一直保持着相当高的数值,并没有单调下降的趋势,在接近10kHz的地方依然高达+10dB,然后在10kHz迅速下降到+3dB,10kHz之后的能量依然比HD 580和K701高出+5dB。这说明DT 880比K701的声音还更加明亮。
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0 f0 Q8 r% Q  M& F6 e2 VDenon AH-D5000:- Y6 @8 Q+ a! H  awww.audioapp.cn  audio app

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" L8 v4 M: G- v4 ~& a0 @5 F# A, g图13相比起上面三款耳机,D5000的低频就显得相当有诚意了,在200Hz以下有5dB的抬升,这使得低频听起来相当有分量感。然而遗憾的是,虽然在3.5kHz处有12dB的峰,可是接下来直到13kHz都保持着+5dB的高能量值,这使得这个耳机对于很多人来讲高频显得太多了。8 E9 g% _! a" d; S+ v# iwww.audioapp.cn  audio app

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Sennheiser HD 800:
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, C+ C' K9 m  @0 j. C图14补偿曲线已经开始接近直线了,说明这款耳机是旗舰级别的。依然讨论测量曲线:相比起前三款耳机,HD 800的低频没有下降得那么快,说明相比起来低频更有力度更有下潜。到3kHz位置都相当好,并且往后的曲线都相对比较平整,没有太过激进的峰和谷,不过高于3kHz的一切都比Harman目标曲线高出+3dB,这说明这款耳机声音还是比较亮,距离舒适聆听还是有点距离。8 S; o6 {& F! Kwww.audioapp.cn  audio app


& C, y. ]% M- I" v* n3 YShure SRH1540:. s3 g5 `* b  T4 i, H: E) H2 ?www.audioapp.cn  audio app

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1 d& @4 w* d  `2 R: ~. q6 A
2 C, U1 G( \0 n' N图15一眼看去这个频响还是挺像Harman目标曲线的。在180Hz以下低频开始增强,不过在50Hz处+8dB的幅度就有点多了。在3.5kHz处的峰高合适,但是从200Hz开始上升的斜率太小了,这使得它损失了一些人声的临场感和饱满度。在3kHz以上曲线形状不错,不过应该在再衰减得快一些,并且在20kHz附近再多衰减3-5dB。
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这个耳机低频和高频都太多了,缺乏中频,是典型的U型响应。U型响应对于一些人来讲会过于刺激,低音量下听起来还算不错,不适合大音量聆听。/ k. B  L* R% f9 y$ ?www.audioapp.cn  audio app

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VSonic GR07 Bass Edition:
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* E. g2 [" p+ I# E8 L+ ]图16在200Hz以下有+4dB的抬升,是非常标准的Harman目标曲线,低频的量正合适。200Hz到1.2kHz的量有点少,这使得声音的厚度有点缺失。3kHz的为+6dB,稍小,使得声音穿透力稍稍缺乏。5kHz处依然保持6dB的高度,这使得齿音里频率较低的部分会比较强。10kHz为0dB,很标准。接下来的衰减还是比较合理的。# x5 ]; ^( y7 [  T5 p  B" Iwww.audioapp.cn  audio app

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以上举了7个示例,相信认真的读者应该能从中找出一些分析声音的感觉来了。另外,以上提到的60Hz, 200Hz, 1.2kHz, 3kHz, 10kHz主观听起来究竟是怎么样的?这也许对于初学者来说会有点难度。学习的最简单方法就是平时听歌的时候打开均衡器,把某个频率的增益调到最大,其它保持为0dB,感受一下这个频率幅值的猛然增大所带来的主观听感,慢慢地脑子就会找到频率和听感之间的对应了,这确实需要一个练习的过程。
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2、隔音谱隔音谱就简单多了,它是戴上耳机的测量值与不戴耳机的测量值的差(单位dB),所以通常为负数,且越小表明越隔音。举2个例子就够了:
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3 I1 K2 @' ^2 u* t. F  JLogitech UE 600vi:
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% f  L  W  p, }3 n4 Q# a9 h3 R图17这是一款入耳式耳机,可以看到在整个频段都有不俗的隔音效果,尤其在超过1kHz之后隔音效果开始迅速变得相当优秀。人耳最敏感的频率是在3kHz附近,而这款耳机恰好在这个频率附近的隔音效果是最好的。戴上这副耳机,会感觉整个世界都清净了。这个耳机我亲自使用过,在公交车上只需要比平时多一格的音量就可以达到可以接受的动态范围了。3 y- x+ w" t2 J+ |0 k+ a9 U. ywww.audioapp.cn  audio app


8 C3 D& ?; i& X3 o/ ?" kHiFiMAN HE-560:0 S% c% C3 F( q  D) Bwww.audioapp.cn  audio app

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图18这是一款开放式平板耳机,由于是开放式的,隔音效果很差。这很容易从曲线里看出来,不需要太多解析。这种耳机只能在安静的环境里聆听。1 l3 M0 L/ {/ e1 g) t" Gwww.audioapp.cn  audio app


# t- ^1 x  [  k# U+ h) X3、总谐波失真+噪声谱在上期科普播放器的时候,总谐波失真+噪声谱的概念已被介绍,这里不重复了。耳机的谐波失真是很难测量的,因为谐波本身就很小,基本上和噪声一个级别。所以会因测量环境的变化而变化,是最容易得出错误结果的项目。Tyll Hertsens的隔音室并不是实验室级别的,按他的描述,即使屋外一辆卡车走过或者水管里有水流动,都会对测量结果产生明显的影响。另外他也承认之前测试的系统有点问题,影响到了测量结果。因此这部分的曲线可能会给出一些误导人的结果,阅读的时候需要自行判断。一般来说,总谐波失真+噪声不超过1%都可以认为是合格的。1 T( W1 H+ I+ f! {. z$ ]www.audioapp.cn  audio app


8 C% W0 ^$ f. N4、阻抗谱耳机除了有电阻,还有一种反向作用于播放器的效应,它与电阻合起来叫做阻抗。表面上看阻抗只是一个纯电学量,体现的是音圈的电阻+音圈和磁铁组成的电磁系统对电源的反向作用,似乎与声音没什么关系。但是在耳机这个系统里边就要复杂一些了。耳机里边存在着不少共振现象,譬如音圈的共振,腔体的共振,耳罩的共振,振膜的分割振动。其中有些是人为设计的,有些是没法控制的。
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! {( Q# f8 ?. P; S! ?' |& I) b共振的时候音圈所受到的反作用力会有明显的变化,因此感应电动势也会有明显的变化,于是就体现在阻抗的明显变化上了。单纯从阻抗谱来判断声音特性有点困难,但是它可以用来佐证由频响特性、隔音谱、总谐波失真+噪音谱所判断出来的特性。另外,阻抗这个电学属性直接反应它对播放器的要求,可以了解到这个耳机的声音是否对播放器比较敏感,容不容易出现不同播放器推动下声音会明显变化的情况。" p: l6 R5 F% h4 Iwww.audioapp.cn  audio app

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音圈是一个振子,在电磁力推动下振动。在共振的情况下,不需要太大力就可以推动音圈振动了,这意味着不需要多大的驱动电流,于是音圈会产生很大的反向电动势来抵抗电源以降低电流,于是阻抗就大了。但是如果电磁力的频率低于振子的共振频率,振子就总是希望把频率提上去,再加上反向电动势只跟振子的运动有关,所以它的相位就要超前于驱动电流,因此阻抗的相位就是正数了。相反,如果电磁力的频率高于振子的共振频率,振子就总是希望拖慢节奏,所以阻抗的相位就是负数了。
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频率响应、总谐波失真+噪声谱、阻抗谱是很有关联性的,如果一起看会有一些不少的收获,下面举一些实例:, f% k. t" x. k% r+ {% i# ]www.audioapp.cn  audio app


' s* Q. f3 Z: F1 oSennheiser HD 580:' x1 l4 g3 ^3 e  R' qwww.audioapp.cn  audio app


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图19上图是阻抗曲线,粉线是阻抗的大小(通常简称阻抗),蓝线是阻抗的相位。下图是总谐波失真+噪声曲线(简称THD+N,为了方便再简称THD)。蓝红线分别代表90dB输入情况下的左右声道,绿黄线分别代表100dB输入情况下的左右声道。这个曲线和“音频知识科普1:解读音频播放器的客观评测数据”里边的THD曲线有点不同。科普1里边的只测量了输入信号为1kHz的情况,这里测量了输入信号从20Hz到7kHz的多种情况,曲线上的每一个点就代表一次测试。譬如黄线在90Hz的地方读数为1%,那就表明100dB声压的频率为100Hz的信号输入的情况下,THD的数值为1%。7 K8 c7 S; D* C7 y6 Q& r1 F$ q# ^www.audioapp.cn  audio app


( L; k4 K1 Q- Z$ g$ h- `注意,在200Hz和2kHz的地方有各有一个尖锐的峰,那个是测试设备造成的固有失真,与耳机无关。可见阻抗在90Hz附近有明显的隆起,而且在这个频率处相位恰好为0,低于90Hz的时候相位为正数,高于90Hz的时候相位为负数,这和前面解释的一模一样,它就是典型的共振现象。. d. w! p8 o- H5 }' b% q; ?/ R9 }) Kwww.audioapp.cn  audio app


' x: J3 s6 w" F- z1 e另外,在高频处可以看到阻抗和相位都逐渐增大,尤其是相位为正数体现了在高频驱动下,耳机相当于一个感性阻抗。事实上,学过一些电路知识的朋友都知道线圈就是一个感抗,随着频率增大它会越来越大,并且它的电压是超前于电流的,体现在阻抗的相位是正数。然而在90Hz附近的低频信号下驱动下,这个感抗可以忽略不计,所以前面关于共振的讨论,并没有涉及感抗问题。
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+ {, o0 r9 Q1 O1 y4 s入耳式耳机就像套在针筒里的活塞,运动很受限制,因为有针筒里空气气压顶着,阻尼很大,不易共振。开放式耳机就像拔出来的活塞,振动很自由,阻尼很小,所以很容易产生共振。这种通常在60Hz-150Hz之间的低频共振在开放式耳机里边很常见,它主要是音圈共振造成的,但是这种共振在入耳式耳机里边就很少见到。: `& w; q$ x- {' d5 K: l8 xwww.audioapp.cn  audio app

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低频是一个很难伺候的东西,这也可以用针筒来说明,如果缓慢地移动活塞来使针筒内腔的体积变小,那么是不会感觉到有什么阻力的(忽略摩擦力),因为针筒的另外一端是开口的,它会泄气,从而始终保持内外气压平衡。然而如果快速地前后推拉活塞就会觉得有很大阻力了,因为速度太快会导致针筒内腔的体积变化太快,气体来不及从开口排出或者吸入针筒,于是气体就被压缩或者膨胀了,气压差的形成会阻碍活塞的运动。
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+ Q* E5 w9 a/ O9 P4 v0 d设想人的鼓膜位于针筒里边靠近出口的位置,那么对于慢速的运动,由于内部气压没什么变化,始终等于外面的气压,所以是感受不到压力的,因此不会听到什么声音。反之,如果活塞高速运动,那么气压差大了,就感受到声音了。在开放式耳机里边,由于漏气的通道很宽,气压很容易就被平衡掉,所以开放式耳机要做出很强的低频是很难的。它能做的就是大量增加振膜的活动距离,大量增加振膜的有效振动面积。所以我们经常看到那些低音炮音箱都是很大的,并且在播放低频音乐的时候,那个纸盆总是拼命在振动。然而振动距离的增大,会超过振子线性响应的范围,振动面积的增大,会增加产生失真的部位。
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* u# }- U/ }" n/ a2 ~3 N所以对于开放式耳机,除了低频少之外失真也会更大,而且由于要大幅度大面积振动,还需要播放器提供强大的功率,对播放器也是个很大的考验。再回到图19的THD曲线,在90Hz以下THD猛然增大,原因上文已经讲过了,然而结合阻抗谱还能给出更多的原因,因为低于90Hz的频率已经离开了共振频率,如果播放器依然需要维持音圈足够强烈的振动就需要提供很大的电流,此时播放器的失真和音圈磁铁组成的电磁系统的失真也会变大。所有这些不利的因素导致了在开放式耳机里边,低频的失真总是很难做小的。
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, c2 f( H, b+ |# k图20很多封闭式耳机(譬如入耳式、封闭式头戴)在3kHz附近阻抗都会有些非常规的隆起,如果结合相位曲线一起看的话,其形态跟上面提及的共振类似。回忆一下Harman目标曲线在3kHz处有明显的峰就知道这其实是设计为之了。设计者是通过音腔的共振来达到增强这个频率的声压的目的。这种共振反作用到音圈引起阻抗的变化。再次观察频响曲线会发现这个阻抗隆起的位置恰好和频响的峰位是对应的。$ O, t' n2 V1 Bwww.audioapp.cn  audio app


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图21一些耳机的阻抗曲线非常的振荡,因为这是一个多单元耳机。每一个单元都有自己的阻抗特性,不同单元之间又有相互作用,所以曲线看起来非常复杂。一般来说,要通过阻抗曲线判断耳机有多少个单元是很难的,但是看到这样的曲线起码可以知道不止一个单元了。不过这个耳机有个问题不能被忽视,就是它的阻抗随着频率的变动太大了。400Hz一下只有10Ohms,到了8kHz竟然接近90Ohms,这有9倍的差异。那么如果播放器的输出阻抗恒定是10Ohms,那么在400Hz以下耳机的分压是50%,8kHz处分压是90%,多出80%。如果输出阻抗是90Ohms,那么在400Hz以下耳机的分压是10%,8kHz处分压是50%,多出400%!这意味着这款耳机在高输出阻抗的播放器里播放将会有较为严重的音染问题,是一款很挑播放器的耳机。
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# ?; Y/ Z- `; d图22耳垫共振也是一个有趣的问题,一些廉价的耳机所用的耳垫是弹性海绵而不是记忆海绵。弹性海绵容易产生共振,这个共振回馈到音圈就会产生阻抗奇异的现象。观察图22,可以发现在100Hz到200Hz之间,频响曲线有些摇摆,阻抗曲线有些非常规走势,同时隔音谱在这个频率段也出现不仅不隔音反而放大声音的现象,这种现象就是海绵质量不佳导致共振造成的。通常来讲,这种共振带来听感上的影响是比较小的。
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; D# {' u8 ]" \6 w图23耳机佩戴的稳定性也是个很重要的指标,这个稳定性体现在多次佩戴所得到的听感是否一致。也许读者早就已经注意到频响特性里的灰线总是有很多条,这是因为Tyll Hertsens总是把耳机戴上假人头后测一次,测完后把耳机取下来再戴上去测一次……如此类推,最后得出多次测量结果。多次测量的好处一方面是可以后期进行平均获得更加平滑的结果,另外一方面就是可以用来检查耳机佩戴的稳定性。前面已经说过,如果佩戴不牢导致漏音,最容易受影响的就是低频。从图23可以看出,不同测量,低频部分的曲线都有明显的差异,表明这款耳机的音质很容易随着佩戴效果的变化而变化。
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) `% W( v3 z2 @6 G9 m) [下面介绍两个概念:分割振动和频率梳现象。分割振动指的是振膜上不同点的振动不相同的现象。这可以用日常生活的例子来理解:用双指捏住一张纸的中间部分,然后以5Hz的频率甩动,按道理5Hz属于次声波,人耳是听不到的。但是我们却能清晰地听到纸张发出来的声音,这就是失真了。这种失真就是因为纸张太软,没法处处跟随手指的运动造成的,捏住的地方跟随得很好,但是远离捏合点的地方就很难跟随了,这就是分割振动。相反地,如果捏住的是一块玻璃就不会听到这些本不应该听到的声音了。耳机的振膜虽然已经竭力做到很硬,但是毕竟不是刚体,在某些频率下以大音量回放就可能会出现明显的分割振动。分割振动对音质的副作用是明显的,它在THD谱里表现为一段较宽的隆起,类似于驼峰状,在阻抗曲线里边也会有不规则的形状。: e# p6 R. H# swww.audioapp.cn  audio app

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频率梳现象可以简述如下:声源发出向前和向后两束声波,向后的那束声波碰到壁反射后变成向前走的声波,这列波跟原来向前的声波叠加而产生干涉。这个干涉可以相消也可以相长,可以证明,如果500Hz是相消的,那么1kHz就是相长的,1.5kHz相消,2kHz相长……如此类推,等频率间隔是它的重要特征,而且相长与相消总是梅花间竹地出现,所以如果出现失真,那么在THD谱里边应该是等间隔的比较窄的峰,同时在阻抗曲线里边也有反映,但通常是比较轻微的,不会使得曲线变得很不规则。这种失真通常对音质的影响比分割振动小。5 N, c* U# ?: Dwww.audioapp.cn  audio app

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图24先看阻抗谱,低频和在3kHz处有峰是正常的,但在1kHz到3kHz之间的曲线变得有些摇摆。再看THD谱,在1kHz到3kHz之间出现了驼峰状的隆起,这主要是分割振动造成的。
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图25这款耳机的阻抗曲线比较规则,但在1kHz到4kHz中看到了三个较尖的峰,如果仔细观察三个峰位,会发现它们分别在1.6kHz, 2.1kHz, 3.7kHz,恰好是等间隔的。这主要就是频率梳现象导致的了。$ b: {2 I+ m3 w+ N" N. i1 ~www.audioapp.cn  audio app


* G4 u, h, w( Q除此之外,还有一些要点,由于比较少人用到或者比较简单,就不一一贴图了:
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1、平板电磁耳机即便是开放式的,阻抗曲线都会比较平直,因为它没有音圈。如果出现了峰,那通常在THD那里会找到一些问题。
, l: |0 u% r! K2、如果发现在大音量下(100dB)THD曲线比小音量下(90dB)明显变高,这就说明这个耳机在大音量下的表现是不佳的。
+ o( u- z( X- y! l3、静电耳机的阻抗非常大,因为它根本没有传导电流,是全靠静电力驱动的,所以阻抗谱是空着的。
1 x" E" M+ y; j0 Z4 d8 R4、有些主动降噪耳机因为自带降噪电路,所以测量到的已经不是音圈的阻抗了,而是那个降噪电路入口的阻抗,所以阻抗值可能会很高,而且本文关于用阻抗来判断耳机特性的办法会失效。3 V* r+ M. i, J" H5 z7 m3 O- Gwww.audioapp.cn  audio app

5、类似第4点,有些耳机自带一些调音电路,譬如故意抑制频响当中某些本应存在的峰,这时候阻抗判别法也是会失效。
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