测试耳机和耳塞性能的方法

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- ?8 M4 Z" r# \2 ]2 k# e# X- P测试耳机和耳塞性能的方法

简单来说，收集扬声器的性能数据的基本方法是：使用测试信号驱动扬声器，同时将用于测量的麦克风放置在距被测扬声器一定距离的地方。麦克风会捕捉到扬声器的声音输出，并将信号传递给分析仪器。
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对耳机和耳塞的性能数据的收集过程与之类似：使用测试信号驱动耳机/耳塞的声学传感器，并用麦克风捕捉其声音并进行分析。
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9 b; }# c* d+ R3 O$ L- q但与扬声器不同的是，耳机和耳塞是为了适应人们耳朵的形状而设计的，这使得性能数据的收集变得更加的复杂。
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# e0 z, Y% l+ m因此，用于收集耳塞/耳机数据的麦克风必须放置在能够模拟人类耳朵的声学结构中，并且耳机或者耳塞的佩戴方式必须与人们在实际生活中所使用的佩戴方式保持一致。

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图1：耳机的类型（a）耳罩式耳机（b）贴耳式耳机（c）半入耳式耳机（d）入耳式耳机。

% w0 b: h$ Y2 ?3 ~$ R耳道的共振和来自身体和耳廓的反射会极大地影响鼓膜处（称为鼓膜参考点，或DRP，即测量麦克风的振膜所在位置）的响应。根据特点和应用场景不同，耳机和耳塞可以通过各种声学测试装置（ATF）进行测试。



# t8 s7 ?* `) h* b' Q( ~# O/ Z图2：封闭式仿真耳（具有封闭式耳道延伸的耳模拟器）
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国际电工委员会（IEC）已经指定了一种耳模拟器用作模拟人类的耳道（称为IEC 60318-4耳模拟器），其DRP上有一个麦克风。
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耳道延伸器和封闭式耳道延伸器均是它的指定配件，因此这种耳模拟器可以适应于多种固定装置和应用场景。
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如果装上耳道延伸和人造耳廓，耳模拟器就可用来测试头戴式耳机，如果装上封闭式耳道延伸，耳模拟器就可用来测试入耳式和半入耳式耳机（图2）。
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与此同时，图3中的图表显示了在自由声场中测量的扬声器响应（其中扬声器均衡设置为flat），以及使用相同的声学信号，在HATS（即人体头和躯干模拟器模型，这个模型我们稍后讨论）中的耳模拟器DRP测量所得的结果。

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/ f$ t: ?+ ^8 S: n5 l图3：分别使用自由声场麦克风和DRP上的入耳式麦克风所测量的处于自由声场中的扬声器的频率响应。
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- m6 N* {  }# o* r可以看出由共振和反射所引起的响应变化是非常明显的。

) Q5 I, Q  o- [* ]对于入耳式耳机，只需要使用具有封闭式耳道延伸器的耳模拟器就可以了（如图4），因为外耳，头部或躯干对于声音的影响微乎其微。

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2 B7 @$ _; X0 |2 U% O, ]图4：一个入耳式耳机被连接到封闭式耳模拟器。
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对于耳机和其他种类的耳塞，因为它们会受到耳廓，头部还有胸部反射的影响，可以将耳模拟器安装在较大的固定装置中进行测量，例如使用HATS。
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/ M0 F6 D4 P; u. T9 L# p! E' g图5是一个模拟人类耳朵和脸颊的设备，它由一个耳模拟器和人工耳廓组成。人工耳廓被安装在了一个模拟人类脸颊或者侧脸的平面上，设备上带有一个可调节的臂，用于模拟耳机和耳廓之间贴合时的压力。
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图5：43AG耳和脸颊模拟器，G.R.A.S. Sound and Vibration。

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4 q, Q1 @* N" `1 S# n+ J) ~9 tHATS人体模型能够模拟人体头部的声音反射和声影，以及人体颈部，肩部还有胸部的声音反射和吸收（图6）。
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9 I% E+ O4 _5 M# L图6：5128型HATS

两组耳模拟器和耳廓分别安装在模拟器头部的两侧。如果想对耳机的麦克风进行测试，可以添加一个嘴模拟传感器。如果想准确的测试耳机自带的麦克风，使用HATS是尤为重要的。

图7中所示的是另一种解决方案，它比HATS便宜，但是又比其他的一些方案更加完善，这种耳机测试夹具使用了两个耳模拟器和人造耳廓，分别安置在一个大型的铝制圆柱体头部两侧。
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图7：ISO 4869-3耳机测试夹具，型号AECM206
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7 b3 E: z6 p2 ]6 g( ]像HATS一样，它可以同时测试左耳和右耳的耳机。对于在生产车间进行的测试，可以使用锥形的铝制配件来代替人工耳廓，从而让耳机的测试更快速，更容易重复操作。

此外，它的大型的圆柱形头部能够提供非常好的声学隔离效果，这是测试耳罩式耳机和ANC（主动降噪）耳机在降低环境噪音方面的效果时所必需的。
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  m* b: B: b0 m8 h: q数据测量的结果

耳模拟器配合上面所说的这些固定工具/夹具，再加上能够使用Farina对数扫描的正弦波线性调频信号的现代分析仪器，我们就能够得到非常多的数据测量结果，这其中包括了：

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7 P# q0 B, m( \' v+ b•电气阻抗

•输入电压

3 l; F7 C( j  ^+ G2 r, Q3 y• 声压级

•谐波和互调失真
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•噪声衰减
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7 E% Z5 j6 F! M8 b•串扰衰减（串音衰减）

•Rub 声和Buzz声

- _# @! o3 N8 E& k•左/右耳追踪

2 I4 B8 G. t2 h6 P/ z. M( _, P耳廓造成的反射以及耳道产生的阻抗和共振可以被耳模拟器和其上的麦克风忠实地模拟出来，并提供DRP上的响应曲线。
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( }3 e8 \$ |0 _, Z但是，正如图3所显示的情况，这样获得的原始测量数据并不容易和被测设备的公开数据，标准数据还有工程技术参数对应起来，因为后者是在自由声场或者是扩散声场中测试设备时所得到的响应曲线。

8 v2 v  j; i/ @5 W8 j/ J解决这个问题的方法是，使用自由声场或者扩散声场头部相关传递函数（HRTF）曲线对测量数据进行转换。

4 h$ I  d7 h# }0 ~& A% `* D" ]5 ~创建HRTF的方式是：首先测量DRP上的耳模拟器的响应曲线（例如在HATS上），然后移除HATS并将麦克风放置在相同位置再次测量响应曲线。

* [5 ^7 N1 |$ L( p. `上面的测量环境可以是自由声场（消声空间）也可以是扩散声场（混响空间）。两次测量之间的差异就是HRTF，它能够体现测量时所使用的声学测试夹具的特性。

! s9 Z( d( G/ P6 F% `一旦获得了HTRF，我们就可以通过将DRP上的频率响应除以对应的HTRF来获得被测耳机在自由声场和扩散声场中的频率响应。


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其他的因素
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耳机与测试夹具的头部还有人造耳廓的契合程度会对其性能产生非常大的影响。尤其是对于封闭式耳机的低音响应，这种影响会更加的明显。任何类型的泄漏都会降低耳机在低频区域的表现。
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例如，图8中的曲线显示了五个频率响应的测量曲线，在每次测量之前，耳机都被从ATF取下再被重新戴上。
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, l) U% Y+ p( M- B$ ~* v为了避免这个因素的影响，最好对耳机进行多次测量（通常应为3到5次），然后取平均值。

0 B1 t7 d& Z+ b! F8 D过去设计耳机时，使用的是自由声场HRTF。后来才开始使用扩散声场HRTF，作为录音室监听耳机的理想范本。
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最近在相关领域内的研究表明，人们会更喜欢自由声场和扩散声场耳机目标频率响应曲线的方案。而且通常来说受过训练的人会更喜欢那种在参考听音室中对应平板扬声器校准的耳机目标响应。

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图8：将耳机安置在ATF上，进行5次测试所得的耳罩式耳机的频率响应。
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# l& H: M* Y9 ^/ _# [6 H# U在使用耳模拟器在ATF上测量耳机的频率响应时，请务必记住目标响应不是平坦的。

7 j# y, l2 V. {# y- j( q就这一点而言有两种选择。
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第一种选择是在被测（标准化）频率响应的图表上画出目标频率响应曲线，如图3所示。使用这种方法，可以在评估时直观的将测量曲线与目标曲线进行比较。

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! v! B; L' K. }/ r& }图9：扩散声场和自由声场下的封闭式的耳罩式耳机的频率响应曲线。

, z1 ~3 v  r5 b用于评估耳机频率响应的第二种方法是“校正”或者说是将被测量的频率响应尽量靠近目标频率响应。
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9 H* G4 r$ W8 K$ n& w实现方法是反转目标响应曲线并将其作为EQ曲线应用于被测量的频率响应，如图10所示，其中图9所示的耳机的频率响应被校正为扩散声场和自由声场。通过这种方法，完全匹配目标响应的耳机的校正响应曲线将会是在0dB处的一条平坦的直线。
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# S9 X3 F& Z( q# ?4 U) l" }  W$ f& B  D图10：使用扩散声场和自由声场校正的耳罩式耳机的频率响应（如图9所示）。

2 n2 r1 a7 ?* M其他的选项
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2 _- Q: [; |5 F& l' O左/右耳追踪是立体声耳机的标准参数，因为它可以衡量耳机中每一个耳机的相对频率响应。通过在带有两个耳模拟器的ATF上进行频率响应测量，并比较右耳和左耳的频率响应，可以很容易地获得它。

完美匹配的耳机的左/右追踪响应曲线应该是在0 dB处的一条平坦的直线。如图11所示，入耳式耳机的左右两个耳机在20 Hz至10 kHz范围内的匹配是良好的。
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+ c$ n4 h$ S$ f声音衰减是衡量耳机或耳机防止环境噪音进入耳道效果的指标。这个指标对于具有主动降噪功能的耳机来说非常有用。
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( Q5 a9 U* O  p( A8 N图11：左/右耳机的频率响应（左轴）及其左/右追踪响应曲线，±3 dB的限制（右轴）。

在ISO 4869-1和-3（在IEC 60268-7中引用）标准的指导下，在被隔离的ATF周围创建一个随机入射声场，如图7所示。生成宽带信号（如粉红噪声），对ATF的耳模拟器中的声压级以1/3倍频程进行测量。

对于没有ANC的耳机，操作程序是首先需要测量开放式耳朵（即移除耳机之后）的1/3倍频程声级频谱，然后再在使用耳机的情况下进行重复测量。这些频谱之间的差异就是插入损耗。

对于带ANC的耳机，则需要一些额外的步骤：在启用和不启用ANC功能的情况下分别进行测量，从而计算出被动衰减值和主动衰减值。测量的频谱通常被转换为开放式频谱，如图12所示。

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图12：ANC耳机的标准化测量频谱，显示了主动衰减和被动衰减的曲线。
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4 C2 c% T( `3 s3 d图12表明了主动降噪在约1.5 kHz的频率以下是有效的，在4 kHz 到1.5 kHz的频率范围内被动降噪的效果更好。

0 x# f  s/ Z4 J2 s注：本文主要参考了《Headphone Electroacoustic Measurements, Audio Precision》，这篇文章对相关问题的讨论更加的详细，能够为您提供许多参考。