耳机的频响曲线可以客观测量,为什么音质主观评价差异依然巨大?
我盡量寫得簡單一些,但這確實不是一個簡單的問題。
2700字,需要一點點閲讀耐心。
所有信源放在了答案底部。
首先,頻響測的是啥?
耳機頻響曲線,記錄的不是耳機的響應,
而是「耳機 + 測量器」一起構成的封閉系統的響應。
其次,頻響測得準嗎?
- 使用不同的測試設備(如IEC 60318-4 / IEC 711 標準人工耳,或B&K Type 5128 寬頻帶模擬人頭),測得的原始曲線存在顯著差異;
- 佩戴時的微小位移或漏氣(Seal leakage)會劇烈改變低頻響應測量數值;
- 而超過8kHz的高頻段,由於耳道駐波與物理阻抗不匹配,測量資料可重複性極差;
- 生理結構差異,耳廓幾何形狀與耳道聲學阻抗(HRTF, 頭相關傳輸函數)各不相同,導致「標準測量」無法映射個人現實;
最終,同一副耳機戴在不同人耳朵裡,鼓膜的實際聆聽聲壓級並不一致。
但上面這些都不是重點,重點是
第三:
頻響是基於靜態信號測量,那麽播放音樂信號時會如何?
學過幾年信號學的,大概率會照搬書本:
靜態頻響曲線是系統瞬態與動態響應的頻域映射,傅里葉變換與 LTI 系統奠定了頻響的動態預測能力;
在線性工作區內,耳機與音箱的電聲轉換系統可高度近似為 線性時不變系統(LTI System);
只要系統保持線性,由正弦掃頻或白色雜訊測得的幅頻響應與相頻響應(即複數頻率回應),通過逆傅里葉變換(iFFT),可以 100% 精確地數學重建系統對任何動態音樂信號的脈衝響應(Impulse Response)與瞬態輸出。
可真相呢?
現代測量電聲學的核心專家,包括 Wolfgang Klippel、Earl Geddes和Malcolm Hawksford,都明確反對把「LTI(線性時不變)」當成物理公理。
他們認爲:
將耳機與音箱稱為「高度近似 LTI 系統」,
混淆了「方便工程計算的簡化數學工具」與「客觀物理現實」。
事實證明
即便在工程界劃定的「線性(小信號)工作區」內部,
物理系統依然打破了LTI假設。
A、「時不變」假設的打破
a1、機械蠕變效應(Mechanical Creep / Viscoelasticity)
振動懸掛系統的高分子材料具有強烈的粘彈性,其順應性不僅取決於瞬態位置,還取決於過去振動的歷史狀態。
因此,系統存在物理意義上的記憶效應(Memory Effect)。即使在微小振幅下,也隨時間動態演變,這就與時不變性(Time-Invariance)相悖。
a2、音圈阻抗的時變
音圈直流電阻,會隨著輸入信號功率轉化為熱量,而不斷實時漂移。
在播放任何真實音樂時,系統的脈衝響應(Impulse Response)都在毫秒級到秒級間連續改變,所以,真實世界裡並不存在固定的系統傳輸函數,教科書裡説的逆傅里葉變換(iFFT)不會精確發生。
B、「線性」假設的打破
磁芯滯後(Magnetic Hysteresis)
Wolfgang Klippel 在其 AES論文《Large-Signal Modeling of Loudspeakers》[1]及後續研究[2]中證明:磁阻與磁通量變化的滯後關係在極低振幅下,依然呈現非線性。
即使在「小信號/線性區」,磁滯引起的諧波與互調失真依然存在,無法通過 LTI 的疊加原理(Superposition Principle)完全消除。
也就是説,靜態信號測量出來頻響不錯的某器材,并不意味著當它播放動態的音樂信號的時候,必然也會有同樣的表現。
除此之外,稍微延伸一下
Earl Geddes與 Lidia Lee提出的 GedLee Metric研究[3][4]指出:
基於 LTI 模型,而發展出的靜態頻響曲線,與傳統小信號失真指標(例如THD和IMD),與人類對聲音真實度的聽覺感知相關性極低,會導致音質評價走入歧途。
GedLee Metric理論,對傳統 THD(總諧波失真)與 IMD(互調失真)的物理盲區,進行了針對性批判。
THD的等權錯誤:
THD數值,是將所有諧波能量累加後,與基波相比。
但在聽覺心理聲學中,由於人耳聽覺掩蔽效應(Auditory Masking),低階諧波(2階、3階)極易被基波掩蔽;而高階諧波(7階、9階)或零點處的微小不連續(如晶體管的交越失真 Crossover Distortion),即使幅值低於 0.01%,也會產生強烈的刺耳聽感。
然而,THD并不能有效區分這兩者,反而在直觀數值上讓人忽略高階諧波。
生理學證據一:外毛細胞的“雙音抑制”
Mario A. Ruggero等人的聽神經基底膜干涉測量與神經發放實驗[5]證實,強基波不僅在基頻處產生響應,還會通過機械非線性壓制相鄰區域基底膜對弱信號的增益,這一機制被稱為雙音抑制(Two-Tone Suppression)[6]。
低階諧波由於物理距離太近,被雙音抑制機械性壓制;
而高階諧波因物理距離足夠遠,完全不受雙音抑制影響。
生理學證據二:外耳道聲學共振與聽閾强化
人類外耳道與耳廓形成了一個管道共鳴器,在 2~4kHz 頻段提供高達 15~20dB 的天然聲學增益。同時,耳蝸在此頻段的絕對聽閾(Absolute Threshold of Hearing)達到全頻段最低(約 -5~0 dB SPL)。
對於 100~500Hz 的樂器基頻,其低階諧波落在耳道增益平坦的中低頻區;而 7階~15階高階諧波恰好精准撞擊2~4kHz的最高敏感區(也就是所謂的齒音區)。
即使輸出端的高階諧波絕對幅值低於 0.01%(相當於 -80 dB),經外耳道物理增益放大後,仍能輕鬆突破聽神經的最小啟動閾值。
於是
GedLee Metric量化指標放棄了對輸出頻譜的簡單累加,轉而分析傳遞函數
的曲率劇烈程度,並結合聲壓級(SPL)掩蔽因數,設計了一個公式:
公式核心是對傳遞函數求二階導數(乃至更高階)。傳遞函數的曲線越平滑(如管弦樂放大器的低階飽和),導數越小,
讀數越低。
這是一個典型的高階導數懲罰機制。若系統存在折角、擦邊或交越點(傳遞函數出現不連續或劇烈變軌),會產生極高峰值,
讀數呈指數級暴增,從而在數值上準確擬合「能量極低但聽感極差」的主觀不適感。
可惜
GedLee Metric在理論概念層面成功指出了 THD對高階刺耳失真無能為力的本質。
但在實操層面,因無法解決電聲系統的動態記憶效應,與測量微小導數的數值噪音問題,最終僅能作為一種學術思想存在,尚未真正取代傳統的測量體系。
現代電聲學領域已知的失真有好幾十種,甚至可能上百種,其中大部分我們都測不準,或者目前還沒有發展出可靠的測量方法。
前面提到的那些研究,其實都已過去20年。近年來或許有些大廠已經發展出更成熟完備的測量方法,但絕不是隨便一個網紅在家裏就能夠實現。當你讀那些第三方測試的時候,心裡要有個數,只當它是個參考就可以了。
説了這麽多,總結一下
你無法通過測量含糖、含鹽、含味精量,來評價一道菜,
音頻產品的頻響、THD、IMD……這些測量也一樣,它們不但無法全面反映音頻產品的真相,而且這些測量本身,從方法設計,到實施過程,也並不像你想象的那麽嚴謹/科學/充分/準確。
產品測量的意義,更多是用於建立參數模型,在常規耳機/音響設計與小信號 QC 生產測試層面發揮作用。
它是產品開發設計的起點,卻絕非終端使用者的終點。
所有嚴肅的廠家,都會在研發最後,用主觀評價來定型產品。
你也只能通過肉身實際聆聽,才知道哪一款產品適合你,是你喜歡的。