Great minds think alike

英雄所见略同

当产品开发向您提出挑战时,您可以确定并不是您一个人在面对。

图片版权所有 © Sony

索尼公司(Sony Corporation)一直是音频设备设计领域的先驱,其最新的发展方向是Hi-Res音频(高解析音频)。有些音响发烧友一直声称,数字音频缺乏优质黑胶唱片所具备的某些细微差别。由于标准数字CD音质的音频覆盖了整个可听频率范围,因此假设该差异是由录音中超声谐波的干扰造成的。Hi-Res音频的不严格定义是,采样率高于标准CD的44.1kHz和/或数字表示高于16位的音频。

早在新千年之初,索尼工程师就确信了Hi-Res音频的价值;不仅仅是因为音频重构的清晰度和分辨率有所提高,还因为声音在双耳空间中的定位更准确。研究表明,人类能够分辨的最小时间差异为5微秒。这是将音频对象定位在虚拟声景中用于游戏、音乐表演重现或工程目的以及提高原音重现质量的关键驱动因素。

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Naotaka Tsunoda自1991年毕业以来一直在索尼公司从事耳机研发工作。他对开发极致耳机驱动单元的热情,加上司职耳机事业部声学技术副总经理,终于在2004年设计出了超高端的Qualia 010耳机。他对完美的追求,促使他开始挑战可用于评估其产品设计的工具。“在我们开发工作的早期,我们意识到我们使用的Brüel & Kjær头和躯干模拟器(HATS)在频率范围上太过有限,耳道几何形状也过于简单,在我们试图优化的高达100 kHz及以上频率范围内无法进行准确的测量,”Tsunoda说。“于是,我们于2014年开始研究如何改进这些工具才能达到我们所需要的精度。” 

“能够充分利用他人的知识并使其成为自己的经验从而更快地达成目标时,显然会更好。”
Naotaka Tsunoda, 索尼公司耳机事业部副总经理

寻找黄金中庸之道
索尼团队设计出了他们认为最能影响人类对声音响应准确测量的参数。Tsunoda继续说道:“在我们测试的频率下,人头的几何形状,特别是耳廓和耳道的形状,对测量精度有很大的影响,而最大的挑战恰恰是人头尤其是耳廓的形状存在着巨大的差异。我们必须找到一种最折中的平均几何形状,但是如果变化幅度过大,那么用平均值进行的测量对于大部分人群来说将是毫无意义的。”

Great minds think alikeHATS输出 vs 背景噪声谱:瞬时值
在查阅了关于这一主题的已公布数据后,该小组决定在头部和耳朵的几何形状方面开展自己的研究。最重要的是耳道的几何形状。为了获得精确的几何模型,索尼用MRI扫描仪测量了许多人类耳道。他们还测量了许多人类耳廓,并对测量结果求平均,从而得到平均的几何形状。利用这些数据,他们运用3D打印技术构建了一个人耳模拟器来替代标准的4128型HATS(头与躯干模拟器)中的耳模拟器和耳廓。

实验性二次设计
另一项挑战是优化测量系统。为了尝试更贴切地复制人耳体验,他们知道必须在希望的频率范围内在靠近耳鼓的位置进行测量。标准Brüel & Kjær HATS中传声器的频率范围限制在20 kHz,直径为半英寸。因此,他们决定用Brüel & Kjær的4138型传声器替换它。该4138型传声器的测量范围高达140kHz,直径为1/8英寸,放置于人造耳道内耳鼓的位置。

Great minds think alike团队成员Naotaka Tsunoda, Takeshi Hara, Koji Nageno和HATS
对这种配置的测试表明,标准HATS在较高的频率下的响应改善了,贴耳式(包耳式)耳机和罩耳式(头戴式)耳机在较低的频率下具有良好的相关性,但是对于入耳式耳机,他们发现了一个问题。“我们注意到入耳式耳机在500 Hz至4 kHz范围内的响应明显更高,并猜测到我们的设计无法准确地匹配人耳阻抗”,Tsunoda解释说。“入耳式耳机配置在耳朵上产生的声负载远高于其他设计,而这正是问题最明显的时候。” 

协作
大概是在2015年,Tsunoda推测4128型的制造商很可能遇到了正在困扰他的同样的问题。他与Brüel & Kjær公司取得联系,与其讨论索尼的项目,并分享了有关未来发展的信息。当时,Brüel & Kjær已经针对一个逼真的人类耳道工作了一段时间,重点是优化新设计的声阻抗。根据与索尼的合作协议,Brüel & Kjær团队分享了他们开发的原型的信息,并解释了Sony发现的入耳差异的原因。Brüel & Kjær设计了一种新的配备¼英寸传声器的高频耦合器,它与人耳阻抗的匹配度最好。经过一番讨论,Brüel & Kjær同意为Sony提供新的HATS原型样机,供他们在实验中使用。Tsunoda说:“能够充分利用他人的知识并使其成为自己的经验从而更快地达成目标时,显然会更好。”“我们对Brüel & Kjær原型样机进行的测试克服了我们在入耳式设备测量中遇到的一些问题。”

但是,还能进一步改进吗?“追求完美是条永无止境的路,”Tsunoda说道,“我们仍希望对测量系统做进一步增强。例如,HATS头部的几何形状尽管是有效的标准化形状,但并不代表平均人体头部形状,并且在测试头带耳机时出现了新的挑战。我们的测量结果表明,头部的两侧应略微向脸部倾斜。这也将有助于耳机的正确固定。要做的工作还有很多。” 


在不同频率下模拟人耳道内的稳态声功率级

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