如何利用听众偏好的音频响应曲线来改善音质

高端音频市场是一个竞争激烈的市场，其变化堪如声速本身一样快。未来的技术进步、组件的小型化以及消费者对高性能真无线立体声（TWS）设备的强劲需求，为耳机制造商创造了新机会。在这一增长中，音频供应链的发展发挥了重要作用。像“无损”和“高清”这样的流行语，在音频新闻中所占的比例越来越高。新蓝牙编解码器、改进驱动程序、高端算法以及以用户为中心的高端功能，使实现近乎无损的流媒体质量成为可能。如今许多消费者正在探索和寻求最纯净、最高质量的聆听体验，这是过去从来没出现过的使用场景。

虽然优质音频的定义将随着创新而不断演进，但听众的首要关切依然是音质，这正如在消费者需求排名中音质持续排名领先本身所证明的那样。鉴于声音技术的不断发展属性，满足音质需求的一个挑战是如何正确理解“音质”对听众的真正意义。即使市场上出现了一系列高端功能，为消费者创造了更好的收听体验，但现实中并没有任何两个听众偏好是完全一样的。所以，提供最高水平的音乐需要理解听众的偏好和鉴听能力，还要加上专注的TWS设计，只有这样，才能精确满足听众的需求。

音频创新需要洞察消费新需求

为了找到聆听体验中缺失的部分，研究专注于这个问题：即如何帮助满足消费者对更好聆听体验的渴望？音频工程团队开始推出所需的频率响应，以提供具有消费者评级最高的音频体验。该研究帮助创建了Knowles偏好鉴听响应曲线，并提供了一些新的设计启示，以满足这些消费者偏好。

图1：适用于耳机的偏好音频响应曲线。

尽管这个问题早在业界开始竞相改善音频质量时就被探讨过，但之前的研究确有一些局限性。2013年推出的Harman耳机目标响应曲线最为知名、被广泛用于指导基于消费者偏好的耳机设计曲线。在精心设计的听力测试中，采用Harman响应曲线的耳机，一直能获得很高的听众评分。然而，Harman高端研究员Sean Olive博士表示，由于其测试方法和现有耳机测试耦合器的限制，其评分结果实际上只在10kHz以下有效。

我们的团队试图在之前的听力响应偏好研究的基础上，确定现有研究结果中还缺乏哪些声音性能和音乐传递链设计，即：发现听众在10～20 kHz频域中更喜欢哪些因素。Knowles利用其75年的音频研发经验、制造宽带耳机的能力以及测试耦合器技术的最新进展，进行了一项与Harman类似的研究。

基于消费者的研究发现了高音问题

为了解录音音域的典型频谱，从近20年中最流行的TOP 100中，随机选取了200张录音，进行了分析。TOP 100榜单显示了最畅销和流媒体播放的音乐，代表了普通耳机佩戴者可能会听的大部分音乐。研究中收集了高频段具有代表性能量的音乐，以确保获得公正结果。评估后，从样本中选择了四首歌曲，它们的声谱与平均曲线相似，并包含易于判断其响应的声学乐器，如声乐和打击乐。

图2：流行音乐的平均声谱分布曲线。 

对于选定的四个样本，根据不同年龄和鉴听能力，选择了70名参与者，试听中采用了六级高频增强、原始Harman曲线、以及去除8kHz以上高频能量的anchor曲线。音乐通过Knowles制造的定制混合驱动耳机播放，该耳机配有7毫米动态低音扬声器和Knowles WBFK高音扬声器，并配有MEMS麦克风，以确保耳机在受试者的耳朵上能够良好密封。Knowles在实验中使用了MUSHRA协议，使听众能够在几个不同录音之间切换，然后给出他们对这些录音的偏好评级。

图3：用于最终偏好测试的音频响应曲线。

该研究的结论是，之前的频率响应曲线中，严重低估了听众更喜欢耳机的高频能量这一偏好。听众想要的高音比之前确定的值要高12～21dB，具体取决于他们不同的鉴听能力状态。就较低频率上的最喜欢的响应曲线而言，听众表现高度一致。然而，在高频段，年长者则更喜欢高频响应的显著增强。一般来说，听众等效听龄每增加10年，高频增强就需要增加3dB。中心频率为16kHz的滤波器在各个年龄段都最受欢迎，总共受到95%的参与者青睐。

试听测试结果显示，高频响应应该比原始的Harman曲线平坦得多，在接近16 kHz时增加了12 dB。为了适应不同的听众以及在降低的音乐等级上收听，实际上还需要进一步的增加，于是，这需要耳机具有额外的高频输出能力。

图4：听力损耗与年龄组的关系。 

图5： 不同年龄组试听音质归一化评分结果。

图6：不同音频响应所建议的偏好曲线均衡。

对TWS设计的意义

对于TWS的两个设计考虑因素——即实现混合动力驱动器和添加听力个性化功能而言， Knowles听力响应曲线提供了一个很好的案例。超过10kHz的偏好响应水平，在单驱动器耳机中难以实现。均衡可以用来提高高频能量水平，但这在DSP或功放中，大大增加了信号削波风险。该风险虽然可以通过降低系统的最大音量来避免，但听众可能会因其对耳机的影响而感到失望。

Knowles建议使用平衡电枢高音扬声器，使扬声器能够满足偏好收听响应曲线，而不需要实质性的电均衡，但这可能会导致电过载。增加一个平衡电枢高音扬声器，可以显著提高耳机的高频灵敏度，避免了对强均衡的需求。高音扬声器能够采用针对降噪耳机所需的最大低频输出进行优化的动态驱动器。高音扬声器避免了由于更大、更重的锥体而造成的高频损耗，并允许将动态驱动器放置到距离端口更远的位置，从而消除了高频损耗的风险。这使得耳机外壳的形状更加美观舒适。

考虑到与年龄相关的高音听力损失的普遍性，TWS制造商应考虑实施听力个性化功能。如果为用户提供软件控制，以根据他们的偏好和年龄来调整耳机，建议调控中心频率高于12kHz，理想情况下接近16kHz。除了不同年龄组所需的平均提升之外，听众还希望至少有±5 dB的调整区间。

满足上述建议的耳机，有望为最终用户提供非常令人满意的体验，从而获得更高的音质评级。Knowles将其KN2参考设计调整为Knowles倾听响应曲线，使制造商能够轻松实现满足市场消费者偏好的TWS设计。通过KN2参考设计，原始设备制造商可以清除设计障碍，提高其在高清音频技术市场的份额，并更快地向更多听众提供高性能、丰富的音质和功能。

(参考原文：How a preferred audio response curve enhances sound quality in true wireless stereo devices）

本文为《电子工程专辑》2023年7月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅