耳机技术

本文首发于微信公众号「声学号角」 Comsol公司新推出了两个案例，对耳道声学进行建模，有助于优化入耳式音频产品，包括助听器和耳机。 01 — 耳道声学 案例一：耳道声学 Application ID: 86281 网址：https://cn.comsol.com/model/ear-canal-acoustics-86281 点击左下角“阅读原文”可跳转 耳道的几何形状是根据文献报道的对测试对象的测量得出的。用于人耳膜和皮肤的内置生理阻抗模型用于说明耳道边界的阻抗。 入口到耳膜的声压级传递函数（耳道入口处的压力/鼓膜处的压力）： 从声场的分布中可以看到各个峰形成的原因。大约3 kHz处是第一个四分之一波长的耳道共振。 下图模型包含一个小的间隙，代表外部泄漏。引入了这种泄漏变化的影响，以分析设计对泄漏程度的敏感程度并预测所谓的低频衰减。 当引入小的开口或通风孔时，低频段发生泄漏而造成滚降。 02 — 耳道模拟器优化 案例二：耳道模拟器优化 Application ID: 86391 网址：https://cn.comsol.com/model/ear-canal-simulator-optimization-86391 Comsol自带的案例库有IEC711的人工耳： 新的模型建立了参数的优化，使得人工耳的响应更接近真实人耳的响应。 该模型在以下频率范围内优化响应： 低频（100 Hz–1 kHz） 中频（1–7 kHz） 高频（7–20 kHz） 目标输入阻抗表示特定耳朵的声音响应（上面讨论的耳道模型）。也可以基于测量或标准指定的响应。

本文首发于微信公众号「声学号角」 当前，消费电子市场上的许多耳机都配备了主动降噪（ANC）功能。目前公认做得最好的是Bose和Sony。苹果新出的入耳式耳机Airpods Pro的降噪也很惊艳。华为也做了Freebuds 3开始探索半入耳式耳机的主动降噪。最基本的主动降噪原理大家都清楚，但整个降噪系统做得理想的公司和产品还不多。 关于耳机主动降噪（ANC）性能的客观测试方法，目前还没有行业标准，大家都在探索最合适的评估方法，以吻合消费者实际使用的情况。当然，行业标准的建立落后于产品的演化速度是常态。 耳机在佩戴时本身也会提供一定程度的无源噪声衰减。 为了使测试对声场内的定位误差更加免疫，使用扩散声场测量降噪。可以在混响室或普通房间中创建，房间需要足够大，可以容纳4到8个不相关的声源。 还可以增加不平行的反射面以及人体模型，再加上被测设备的旋转，以提高声场的扩散性。 使用定向麦克风或声强探头来验证声场的扩散性，测试人体模型头部和设备所占据的空间。测试频率带宽可以设置为100 Hz – 10 kHz。 具有八个不相关声源的房间，用于模拟扩散场 使用规定的粉红噪声信号，可以提供比较合理的信噪比S/N。一般来说建议声压级做到90到95 dB左右。测试环境中本底噪声尽量低。 分析可以使用1/3~1/6倍频程。分析频带太窄可能会有较大计算误差。 由于噪声信号是不稳定的，建议多遍测量取平均，测试时间也可以略长点，比如10~30秒。 由于被动降噪（无源降噪）在测试过程中一直会存在，所以需要通过从总降噪中减去计算出的被动降噪来计算主动降噪的贡献。 下面是五款不同的主动降噪耳机的实际测试结果。 A B C D E 从实测结果来看： ANC主动降噪对<1kHz的低频段噪声衰减明显。 被动降噪对高频噪声衰减明显。 如果配合好ANC降噪和被动降噪，可以将整个频段的降噪都有比较明显的收益，比如像第一款A，整体频段衰减>20dB。 部分耳机在低频段<500Hz，尤其是第二款B比较明显，被动降噪反倒>0，可能是由于低频机械或者声学的谐振和耦合。 第一款耳机A的主动降噪，在2-4kHz附近>0dB，意味着这增强了外部噪声信号，有可能是因为ANC电路产生了一个相位差90°以内的信号，而不是差180°。 如果刻意主动增强外部噪声信号，抵消被动降噪的效果，这样戴上耳机也可以清晰听到周围的声音，有些公司叫“环境音模式”，或者“通透模式”。 上面是我的个人微信，加我的时候请表明身份，注明来意。

本文首发于微信公众号「声学号角」 苹果公司新发布了入耳式耳机AirPods Pro 宣传术语中有一句：“自适应均衡功能可根据你的耳形自动调整音乐播放，带来细腻一致的聆听体验，让你尽享非凡音质。” 今天来揭秘一下。 大致的原理是通过内置的麦克风计算不同耳道形状，以及不同佩戴方式的声泄漏，来动态调整EQ。使得不同人的耳道和不同佩戴方式在耳膜处收到的频响曲线都是一致的。 耳机与人耳的声学耦合取决于许多因素， 用户头和耳朵的位置，大小，和耳垫材料等等。 紧配和松配的差异，尤其是低频 通过放置一个在耳机和耳朵之间的空腔内，扬声器附近的微型麦克风，然后 测量从扬声器端子到麦克风的传递函数。就可以获得声耦合的影响。基于这些测量的结果，可以将个性化EQ应用于每个用户。 近场麦克风放置的位置如下图所示。 近场麦克风的频率响应曲线。低频段20Hz-800Hz和耳道内一致，中高频段走势相似但响度不同。 密闭后腔 开放后腔 10位受试者的近场麦克风响应传递函数，浅灰色-左耳，黑色-右耳，各3次重复佩戴测量 下图是Olive等人提出的耳机目标响应曲线 做了EQ之后的耳道内响应以及近场麦克风响应曲线 EQ的实现流程 黑色-无EQ，点线-EQ后，灰色-目标曲线 另外，从主观听音结果来看，自适应EQ校准实现了有效的收益。 同样的方法，或许对入耳式耳机的效果会更好。因为麦克风和耳膜更近。 上面是我的个人微信，加我的时候请表明身份，注明来意。

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 模型来源 模型来自和Comosl朋友的沟通。他们的声学团队正在构建一个耳机声场分布的有限元仿真模型。 模型的示意图 在典型的测量环境中模拟耳机。耳机与耳朵紧密耦合，近似压力场，因此无法用扬声器的自由场来评估仿真。 模型中使用人工头和耳朵来相对准确地表示使用条件。上图中显示了头戴式耳机与通用人工耳的耦合。 02 — 物理场设置 具有人皮肤阻抗的声边界 Comsol有自带皮肤阻抗声边界 使用多孔弹性波对耳机上的泡棉进行建模，并耦合到声场模型。 耳机外壳中的穿孔板和调音纸/网布，采用内部穿孔板进行模拟 耳机耦合到人工耳耦合和简化的耳道。 耳鼓的阻抗可以在模型中专门考虑。 耳机的扬声器单元采用TS集总参数表示，以缩小计算规模。这个和常规扬声器或音箱仿真类似。 03 — 声场仿真结果 不同频率下的皮肤表面声压级 耳膜处频率响应曲线 04 — 补充说明 这个只是初步的模型，相关设置还存在调整的空间。可以看到仿真出来的频响有疑问。还未和实测产品，相关文献，或者其他仿真方法进行对比。而且计算量相当大。 可能会在下一个版本Comsol 5.5中正式推出此案例。可以期待一下。应该不会需要很久了。 常规都是采用等效电路对耳机进行仿真，相关的理论和工具也非常成熟。 采用有限元仿真建立耳机的模型是一个非常有益的补充。可以对人头/人耳的结构尺寸的影响进行定量评估。对漏音的计算也会更加准确。 后续或许还有可能耦合人头骨的模型，对骨传导耳机进行建模仿真。 上面是我的个人微信，加我的时候请表明身份，注明来意。