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[综合讨论] 我们真的需要新的听力模拟标准吗?

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发表于 2024-5-24 15:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 BK声学与振动 于 2024-5-24 15:01 编辑

Jude Mansilla

HEAD-FI编辑 / 创始人


当进行耳机测试时,通常很难发现主观分析与客观分析之间的相关性。造成这种情况的原因有很多,其中包括实现类似于人的贴合性的挑战,而且我们一直以来使用的听力模拟器,是基于40年前的标准,不能在整个音频波段上模拟人类的听力。


听力模拟器的定义及标准

听力模拟器是一种将被测耳机连接到麦克风、使耳机上的工作负载与作用在真实耳朵上的负载相同的设备。此外,耳模拟器应该能保证麦克风所拾取的信号是频率的函数,与鼓膜处耳道中的声压相同。

行业中使用的大多数耳模拟器均基于IEC 60318-4国际标准。因为该标准以前被称为IEC 711,所以通常将其简称为711模拟器。

711耳模拟器标准的范围及限制

711耳模拟器标准,自1981年以来已使用了近40年,已经根深蒂固,但是711标准存在一些关键性限制。尽管它们通常用于测量20Hz至20kHz(被认为是人类听力范围)的耳机,但711模拟器被限定只用于模拟100Hz至10kHz的人类听力范围。在100Hz以下和10kHz以上,您可以将711模拟器用作声耦合器,但它不能模拟这些范围内的人类响应。



                               
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这个范围虽然有限,但也大大超过40年前的水平,当时这类测试和测量的重点通常是助听器和电信设备。但是数十年来的高分辨率设备通常覆盖并且经常超出人类的听力范围。因此,要全面了解当今分辨率更高、水平更先进的设备,我们需要能够在整个可听范围内对人类听力进行建模。

711局限性的部分原因是,它对要模仿的人体解剖学部分做了简化。最新的711模拟器内部直观地表示耳道麦克风的长度以及精心设计的2分支结构,侧面有精确的空腔,还有模仿人的鼓膜能量损失的狭缝,尽管如此,但相对于它模仿的人体解剖结构,711仍然简化了不少。



                               
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当这些不一致的问题发生时,很难将我们正在查看的测量值与听到的设备声音、以及我们看到的耳机测量值与听到的耳机声音之间的差异关联起来。我认为,这是我们在测量耳机时面临的关键问题之一




B&K 5128型高频头和躯干模拟器的开发

为了从头开始创建更人性化的听力模拟标准,经过12年的努力后,Brüel & Kjær宣布推出5128型高频头和躯干模拟器(5128 HATS)。

5128的开发就是为了首次真实再现普通成年人在20Hz至20kHz整个音频范围内的声学特性。要体现整个音频段的人的听力特征,涉及两个关键的研究阶段。首先,确定成人的平均耳道几何形状,然后测量和确定平均声阻抗



                               
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为了确定平均耳道几何形状,研究人员对40多名志愿者进行了对比增强MRI扫描,借此将耳道几何形状的3D表示实现为实体几何模型。通过基于图像配准算法的几何平均来确定沿耳道长度方向的平均轮廓,从而生成成人平均耳道的3D模型。



                               
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下一步是通过该MRI研究确定32位受试者的平均声阻抗。该阶段要用到特殊设计的阻抗探头,该阻抗探头需在耳道中精确定位,使用MRI测量中提取的几何形状对每个受试者的单个耳塞进行建模。阻抗探头本身是使用两个探头麦克风创建的,一个用于测量响应,另一个用于充当声源。这项研究得出的数据提供了一系列阻抗曲线,用于得出平均声阻抗曲线。



                               
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简而言之,随着这些研究计划的完成,他们能够确定成人耳道的平均几何形状和相应的平均声阻抗。


主观分析与客观分析之间的差异

谈到主观分析与客观分析之间的相关性时,我发现一个耳机的例子与我在网上找到的711测量值完全不同。它就是Westone W60通用型耳机,这是一款高端耳机,至今已问世多年。Westone W60的每个听筒中有6个平衡电枢驱动器和3路无源分频器。

这是我在网上找到的Westone W60的四个711测量值:



                               
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这是一起显示的四个Westone W60 711频响测量值:



                               
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本示例中我选择了Westone W60,因为在拥有并聆听了Westone W60一段时间后,在网上找到了它的测量值,我发现很难调和两者之间的差异——我所听到的与我所看到的测量之间的差异

测量一和测量二显示,其低音远比实际听起来要重,尤其是测量一,全部具有711的高幅值共鸣,从而定义了大部分高音。测量三和测量四显示,从4kHz到8或9kHz的能量非常低,这也不符合主观印象。


5128与711测量值的差异

以下是5128上Westone W60的测量值,显示了W60随附的两种耳塞之间的差异。大多数测量都是使用硅胶耳塞进行的。



                               
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这是W60的5128测量值与我们一直在研究的四个711测量值的比较:



                               
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这是5128频率响应测量值与红色阴影部分的711测量值范围的比较:



                               
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需要特别注意高音范围,您在5128测量中看到的是这些耳机产生的平均人类响应,而不是由耦合器的高幅值谐振引起的测量伪影,该伪影构成了您在所有711测量中在该范围内看到的图像。还必须记住,在这种情况下,711甚至没有按照自己的规范对10kHz以上的人类响应进行建模,根据被测设备和/或所使用的夹具配置的情况,频率范围甚至会更窄。在与几位耳机工程师交谈时得知,高音范围是仅凭测量值能够了解的最具挑战性的范围之一,根据我们迄今为止的经验,我希望5128是迈向耳机工程师高音调音和性能神秘化的重要一步。


更高的测量基准电平

在711模拟器上测量入耳式耳机时,与使用5128测量相同的耳机相比,您经常会看到更高的测量基准电平。因此,我与 Brüel & Kjær一起提出了这个问题,并弄清了为什么会这样——典型的711配置的耳道是一个7.5mm x 22mm的管子,这种711配置的等效体积约为1.26立方厘米;5128的耳道是一个平均的人耳道,长约27毫米,5128的等效体积约为1.55立方厘米,而711等于1.26立方厘米。711是40多年前编制的,我们通过基于离体尸体研究以及像Brüel & Kjær一样进行的MRI研究进行的更高级的扫描研究,已经更好地了解了人耳道乃至鼓膜的尺寸。成年人耳道的长度约为22毫米至31毫米,因此711耳道实际上比一般成年人耳道小。实际上,它更接近这个范围的下限。

以Etymotic ER4耳机为例,Brüel & Kjær估计了带有两种固定装置的插入式耳机前面的剩余空腔。






                               
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当插入到711模拟器中,插入的耳塞前方大约有575立方毫米空腔,但它是插入到5128的耳朵中,插入的耳塞前方大约留有750立方毫米。辐射到小外壳中的接收器将产生与空间体积成反比的声压。因此,使用711的空间更小,因此压力更大,这就是我们在这里看到的。而且,声输出阻抗越高,被测设备越闭合,则对耳道的密封越好,您就越有可能看到这种情况。



                               
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插入到711模拟器中



                               
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插入到5128的耳朵中

因此,这完全取决于您要测试的特定耳机。有些开放型耳罩式耳机显示出更多的基础差异,部分入耳式耳机具有类似的基准电平。同样,唯一可以确定的方法就是测量,但无论您要测量什么,我都相信5128与以前的标准相比,将获得更人性化的响应


借用已故的Edgar Shaw的名言结尾:

将声学天线系统划分为功能部件、以躯干和耳廓凸缘作为衍射体是很有用的。外耳和耳道充当声学谐振器,而耳膜提供声学终端。但是,必须始终将这些部件视为集成系统的一部分。


这就是Brüel & Kjær的5128提供的功能。就听力模拟而言,5128是普通人,以5128耳廓、耳道和鼓膜为内聚单元的集成系统。该系统中包含对成人平均听力的模拟。请勿将耳道和其他零星物品与其放在一起。不管您要测量什么:耳麦、听筒、耳机、头戴式耳机,您测量的是人类对所有这些东西的平均反应,都具有更好的真实感、准确性和一致性。


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