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发表于 2010-2-19
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耳机的频率响应是我们在了解一款耳机素质时经常遇到的一个名词，它与耳机的调音息息相关，很大程度上反应了耳机的三频、声场、解析等素质。
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可以说，耳机的频响至少决定了耳机一半以上的听感，使用人工耳对不同耳机进行对比主要也是为了反映频响上的差别。4 y( g) [* X; \
6 t; E% w8 o1 w6 {& Z4 t6 s不过想要真正看懂并理解耳机的频响其实不是一件容易的事，各种不同的图表很容易引起混淆误解。" b T! K) j! I# T; D
( W5 q4 q. X6 p; S4 J这篇专栏我们主要整合了国内外相关的一些资料，希望能为大家尽可能详细的解释耳机的频率响应。毕竟，只有理解了耳机的频响，才能对高保真或更加标准的声音有一个较为准确的认知，对于耳机素质的判断也能不仅仅依赖于听感。当然，文章中如果有疏漏不完善的地方，欢迎在评论区讨论及指正，欢迎各位爱好音乐的小伙伴一起在评论区分享自己在音乐、各种器材上的理解。
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6 b: ?. C, P+ e5 p& r频率响应的概念! `( i4 t! B3 {
我们先看一下维基百科上对频率响应的解释：频率响应（Frequency response，简称频响）是当向电子仪器（耳机、音箱、放大器等设备）系统输入一个振幅不变，频率变化的信号时，测量系统输出端的响应。
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对于咱们聊的耳机来说，其实我们只需要看懂频响曲线的横纵轴就可以了。/ I8 ^2 O+ O) ], W; t
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' t5 W: l/ w1 R% _横轴指的是频率，单位是Hz，数值上一般是从20Hz~20kHz，与人耳听阈范围重合。横轴一般不呈线性分布，在我们比较不同图表时需要特别注意这点。; A4 N2 A9 d5 M
% m7 `, t4 D9 K: Q% C% y' O6 s纵轴指的是振幅，单位为分贝（dB），数值线性分布。/ R7 x' n# E j2 f' N
( j9 ^0 c( L& R+ a1 f分贝是一个对数单位，它和很多常见的单位如“米”，“秒”或者“千克”等物理单位是不同的，它并不能直接用来描述一个物理量的大小或者多少，它表示的是两个相同单位物理量的比值，作为分母的那个量通常是一个标准的基准值，分贝描述的就是作为分子的物理量相对于这个基准值的大小，分贝的计算公式如下：
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* C) U* ]5 s$ l% X分贝计算公式- K6 z5 ?0 _/ n
其中，valueref是基准值。在使用分贝表示物理量基准值是非常重要的，基准值用分贝表示的话是0dB。
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- i+ ?! o& H* ~' s, O分贝是可以用来描述很多物理量的，比如声压、功率、电压等。这里我们主要介绍声压级，也就是用分贝描述声压这个物理量。
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5 c& `4 O& z1 i) W8 \, ~- N声音本质上来说是一种波，通过空气传播，传到人耳朵里引发鼓膜的振动。所以，声音的大小，实际就是对这种振动强度的反映。而由于空气的振动会引起大气压强的变换，可以使用压强变化的程度来描述声音的大小，这就是“声压”概念，其单位是Pa。例如：1米外步枪射击的声音大约是7000Pa；10米外开过汽车大约是0.2Pa。( W3 G! m% J4 o% ]' A' ~5 a
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从这里的数值变化幅度可以看到，用声压表示声音大小是不方便的，所以我们使用分贝去描述声压，就是声压级(SPL，Sound Pressure Levels)，我们常说声音的大小是多少dB其实说的就是dBSPL。- x8 A7 E% D! b5 y5 j
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对于耳机的频响曲线来说，纵轴一般不会使用dBSPL表示， 0dB基准值一般取90dBSPL，不同评测机构采用的基准值不一定唯一。& r9 o. b6 g# c8 [1 f
! h( W( H4 t& R4 A' Z0 a! ]* r读图时，只需要选取任意一条基准线就可以了，一般选取1000Hz处的纵轴值为基准，这样也更容易对比耳机低中高三频的差异。
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需要特别注意，声压级并不等同于响度，响度是人对声音的一个客观感觉量，不同频率的声音在相同声压级下的响度是有较大差别的，有关响度更多的知识可以查找等响曲线这个概念。
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, G$ ^0 b9 v0 W在解释耳机频响时我们一般不会用响度这个词,也不必联系等响曲线这些概念，即使频响曲线中不同频率对应纵轴数值一样也并不能说明它们响度一致。所以我们一般采用音量、电平、声压级这些采用dB为单位的名词进行叙述。
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对于中高频段来说，3dB的差别人耳就可以初步察觉到了，6db左右已经算是较大差别了，所以在观察频响曲线时3db以上的波动最好都要有所关注。* F2 d. z7 \4 A; F: | n
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$ P" x& R& E; ~( d) |' A音箱的频率响应的测量方法4 r" ?8 a+ ]% j+ x, D9 z6 K
+ U" @- W* {, d3 B* x% U2 s在解释耳机的频率响应响应之前，先为大家解释一下音箱的频率响应。* ?* T7 h0 G: {* q& \( ]. x
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理想情况下，音箱的频率响应应在消声室（Anechoic chamber，指完全吸收声音的房间，同时也隔绝外部的噪音，不产生任何回声混响，是人为的自由场。自由场中声波在任何方向无反射，声场各点接受的声音，仅有来自声源的直达声而无反射声）中测量，消声室保证我们测量的只有来自音箱的声音而没有任何反射。被测音箱由正弦波信号驱动，缓慢扫过20Hz至20kHz的可听频率范围。然后，放置在音箱远场中的优选轴（preferred axis）上的麦克风将记录并绘制输出，这样就得到了音箱的频响曲线。
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% c0 Q! { r, B) j. T, {5 P. x通过消音室可以非常容易的测出音箱的频率响应，不过事实是我们根本找不到这样的房间，除非你把音箱悬挂在很高的高空，即使这样也算不上完美的自由场。; M) G- s9 A, C( a6 I9 h3 D& C3 h
; _! v; h+ p& L% H3 H* k$ M# n2 n! A实际测量一般通过准消声室测量技术，之再经过各种补偿去模拟消音室，这里大家只需要理解音箱的频响是在消音室中通过麦克风测得的就可以了。
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( P3 \. K; e" H% C# s' _& \那么音箱的频率响应究竟是什么？! _$ d& _' b1 Q3 d+ k& D$ k5 N" W2 w
理想情况下，平坦的音箱在消音室下的频率响应是平直的（平坦音箱在房间里的频响就不再平直了）。换而言之，所谓标准的频响就是理想音箱在消音室中的频响，这个声音正确还原了音频所记录频率分布。" `* h, ]! p9 S- U
/ l0 n; M- C! z/ N; [这个标准既不是听感上的惊艳，也不是更加像现场，而是音频或歌曲制作原本表达的那个频响。, h9 [& E3 T2 u8 J! ]
1 [6 z+ }& K; Q) U. g+ Q& S那么对于耳机来说什么是标准的频响呢？在理解了音箱的频响后就容易解释了，耳机标准的频响听起来应该和音箱在消音室（另一种说法是在经过良好处理的房间里，后面会详细解释）中的频响一样。* F8 j8 [1 g2 B# A ^. h
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其实不仅是频响，理想中标准的耳机听起来也应与频响平坦的音箱的声音一致。8 e% F, B' _. l8 F
2 A+ d) D7 c9 k. t2 r5 G' Q9 K耳机频响的理解
0 ?6 H7 ]+ a( ?& v8 K实际上，耳机频率响应测量不仅难以实现，而且很难解释。使用普通的测量麦克风无法像测量音箱那样测量耳机，你没法把麦克风直接放到耳机外面进行测量。3 d& \0 J' H8 b
; Y, |5 J& U) S' L0 e9 i; ^0 ~3 L8 |* J所以，想要测量耳机的频响必须像使用耳机一样，戴到头上进行测量，于是就出现了这样的人工耳测量设备。
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当外部声音进入耳鼓时，它不再是平直的。我们的大脑习惯于通过这种非平直的耳鼓响应来判断听到声音。
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$ Q& c. U) E: x# _" Y8 }/ f: Q当我们测量耳机时，首先必须非常准确地知道非平直的耳鼓响应是什么样的，以便可以从耳机测量中减去它以将它们返回到扁平线以进行评估。为了理解耳机的频响，就必须了解什么是耳鼓响应、耳机目标补偿曲线以及影响它们的各种因素。( j& \+ j/ C: U& q- M
* s' q" ^3 u. y另外，目前也没有一个标准化的耳鼓响应曲线，因此我们没办法得到最准确的补偿曲线与耳机频响曲线。
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我们的耳鼓在音箱前听到的是什么——耳鼓响应5 K0 w5 S7 e+ k& U9 e' d6 l2 k
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在上图的顶部，我们在音箱前面放置一个测量麦克风。我们假设这是一个非常平坦的音箱（理想的音箱），在消声室中进行测量。麦克风对音箱发出声音传播造成的影响很小，大多数情况下，是可以非常准确地测量的。在这种情况下，如果音箱是“平坦的”，麦克风的输出也将是平坦的。
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现在，让我们取下麦克风并将一个人放在同一个音箱前面，看看这个人耳鼓上的信号。由于身体的各个部分对音箱发出声音的影响，包括声波的反射、衍射等，它将不再是平坦的。下图显示了位于音箱前方的人听到的频率受各种声学增益贡献的程度。$ O; m' K5 `! J
0 W- C/ G0 i9 r5 a* |5 R黑色虚线1：Sphericalhead,人头，显示了头部的边界增益，人头可以看做一个球体。低频波长远大于头部尺寸，声波与人头相互作用不大。随着频率的升高，当声波半波长与人头尺寸相似时，人头就开始阻碍声音并在边界处造成增益，如黑色虚线1所示。
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黑色虚线2：Torso and neck,颈部、躯干与声音的相互作用。
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( a+ \9 a5 v$ I彩色线345都表示人耳各部分与声音的相互作用，对应于下图人耳的各区域。人耳不同区域对不同频率的增益是不一致的，不过可以明显看到在3k~5kHz有大约10分贝以上的增益。9 K# I3 M% U' J. ?7 x7 n9 [ k
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最后呢，我们将上述提到的各种增益相加，来全面了解我们在消声室中听平坦音箱的鼓膜相应，得到图中“Ear Resonance”的黑线就表示了耳膜处的响应。
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; ~* V9 k/ J: r; S ~) f1 R, _' b& ?也可以换另一种方式理解，由于耳朵、头部、躯干对声音造成的影响，我们的大脑习惯于听到这种反应，所以“Ear Resonance”对我们来说很平坦。" A7 e1 W% o5 l! |
" ~2 v. O; X7 C$ q对于不同的人来说，耳鼓响应不会完全一致。测量用的人工耳也不可能与所有人的耳朵都一样，所以不同人对相同耳机的听感可能完全不同，尤其是高频段（2kHz以上）。对于测量时的声学环境，也会使这个问题变得更加复杂，这里就不详细说了。
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- l' ^6 k6 O# e- I) [. ^所以耳机频响曲线测出来的其实都是形如上图“Ear Resonance”那样曲线，也就是原始曲线。下面的内容会为各位小伙伴们解释为什么我们平常看到的耳机频响曲线往往是比较平坦的。
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目标响应曲线及补偿曲线
& ~ }7 Y ~9 ~8 g$ `6 f音频工程领域有两个标准化的耳鼓响应：自由场（FF, �0�2Free-Field）和漫射场(DF, Diffuse-Field)。" `/ _$ z* c3 ?+ V' L4 v/ ]7 {8 f5 A
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FF曲线是耳鼓处的人群平均测量响应，测于在消声室中直接来自收听者前方的声音，DF曲线测于在混响环境（四周都是墙壁的环境）中同时来自所有方向的声音。
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FF/DF曲线，耳鼓响应* I/ J- }! y6 s
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补偿曲线. K( p x& ^5 N B& L% j5 U3 z" {
上面这张图里的曲线是补偿曲线，可以看到它们和之前提到的耳鼓响应曲线是相颠倒的。补偿曲线是为了使原始曲线恢复“平坦”，将原始曲线与补偿曲线相加也就的得到了耳机的频响曲线。
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不同厂商、测评机构用的补偿曲线可能不会完全一致，这也是我们经常看到一款耳机不同机构测出来频响曲线差异很大的原因，所以在对比不同评测结构给出表格的时候观察原始曲线才更有意义。: {+ B8 E5 v' d! H1 i
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下面的灰线是人工耳测得的原始曲线，上面的线是补偿过的耳机频响曲线
* n/ V1 s/ u9 N. \$ s# c哈曼目标响应曲线: Z. a: c# q5 P3 ]( m
目前普遍认为哈曼目标响应曲线更加客观正确，这个观点对于理想耳机的定义和我们刚开始提到的的说法略有差别：一个好的耳机听起来应该像一个经过良好声学处理房间里音箱的声音。6 j' W8 h8 T* t% Y7 X- [( F
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怎么定义目标响应曲线决定了怎么理解标准的耳机，我们也确实没法给大家一个明确的答案，但它一定反映的是音箱在某个房间里的声音，至于是一个怎样的房间还有待相关研究人员继续的研究。& j0 U- |* c! z1 W" B# N% P
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" v# q. v( i/ {$ M1 G( p2 {) Z总结
# J4 q8 o: m$ x9 w& K不知道看到这里的还有多少人啊，整篇文章虽然很长，但已经经过了数次的简化，基本上是去掉了所有专业的术语，内容大致还是可以看懂的。
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总的来说，用频响曲线判断耳机调音及素质是有用且合理的，很多人认为其不合理还是因为没有真正的了解它，特别是把不同标准（补偿曲线不一致）下测量的结果放到一起比较，导致很多人认为频响曲线不靠谱。
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这个专栏的下篇会结合听感来聊一聊频响曲线，以后我们的评测向视频也会结合频响曲线与主管听感去评价一款耳机。 |
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