高端音频市场是一个竞争激烈的地方，而且它正在以音速发生变化。定义未来的技术进步、元器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，正在为耳机制造商创造新的机遇。音乐交付链的发展在这一增长中发挥了重要作用。“无损”和“高清”等流行词在音频新闻中所占的比例越来越大。新的蓝牙编解码器、改进的驱动器、先进的算法和以用户为中心的高级功能，使实现近乎无损的流媒体质量成为可能。许多消费者第一次探索寻求最纯粹、最高品质的聆听体验意味着什么。
虽然优质音频的定义将随着创新不断发展，但音质仍将是听众的首要任务——这一点通过其连续排名为领先的消费者需求可见一斑。鉴于声音技术的发展性质，满足这一需求的一个挑战是了解“音质”对听众来说真正意味着什么。即使市场上出现了一系列先进功能来为消费者创造更好的聆听体验，但萝卜白菜各有所爱。要以最高的能力提供音乐，需要了解偏好和听力能力，并配合能够准确满足他们需求的贴心TWS设计。
为了找到聆听体验中所缺失的部分，我们将注意力集中在这个问题上：我们如何帮助品牌满足消费者对更好聆听体验的渴望？我们的音频工程团队着手揭示了产生最高消费者评级的音频体验所需的频率响应。这项研究帮助创建了楼氏电子(Knowles)首选聆听响应曲线，并为确定这些消费者偏好提供了一些新的设计启示(图1)。
图1：耳机首选响应曲线。
尽管自音频质量竞赛开始以来这个问题就一直在被探讨，但之前的研究存在一些局限性。哈曼(Harman)耳机目标响应曲线于2013年推出，这个曲线是最著名且应用最广泛的，用于根据消费者喜好指导耳机设计。具有哈曼这样响应曲线的耳机，在严格控制的聆听测试中始终能获得较高的听众评级。然而，哈曼资深院士Sean Olive博士表示，由于他的测试方法和可用耳机测试耦合器的限制，该结果实际上仅在10kHz以下有效。
我们的团队试图以之前的聆听响应偏好研究为基础，确定现有研究结果中缺少哪些声音表现和音乐传送链设计，即发现听众在10至20kHz区域更喜欢什么。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，设计了一项与Harman类似的研究。
为了了解所录制声音范围的典型频谱，我们分析了从过去20年《公告牌》百强单曲榜(Billboard Hot 100)中所随机选择的200个录音。该百强单曲榜列表显示了销量最高和流媒体播放量最高的音乐，代表了普通耳机佩戴者可能会听的大部分音乐。我们收集了具有代表性能量的高频音乐，以确保结果公正。评估后，我们从样本中选择了四首歌曲，这些歌曲的频谱类似于平均曲线，并且包含易于判断响应的原声乐器，例如人声和铙钹(图2)。
图2：200首歌的平均频谱。
对于四个选定的录音，从不同年龄和听力能力范围中所选出的70名参与者，收听了六级高频增强、原始哈曼曲线以及去除了8kHz以上高频能量的锚定曲线。音乐通过Knowles制造的定制混合驱动器耳机所播放，配有7mm动态低音扬声器和Knowles WBFK高音扬声器，并配有MEMS麦克风，以确保耳机正确密封到受试者的耳朵。Knowles在实验中采用了MUSHRA协议，使听众能够在几个不同的录音之间切换，然后输入他们对这些录音的偏好评级(图3)。
图3：均衡测试。
研究结果所得出的结论是，以前的频率响应曲线严重低估了听众喜欢用耳机获得的高频能量。听众希望比之前所确定的高音高12到21dB，具体取决于他们的听力状态。听众对他们在低频下的首选响应曲线意见一致。然而，在高频下，老年人更喜欢更显著的高频响应提升(图4)。一般来说，听众的等效听力年龄每增加10年，所希望获得的增益就增加3dB。事实证明，以16kHz为中心的滤波器在各个年龄段中最受欢迎，受到了95%的参与者的青睐(图5)。
听音测试表明，高频响应比原来的哈曼曲线要平坦得多，接近16kHz时增加了12dB(图6)。我们需要用进一步的提升来适应听众之间的差异，以及以降低的音乐音量聆听的情况。这需要耳机具有额外的高频输出能力。
图4：随年龄增长的听力下降。
图5：用户音质评级。
图6：建议均衡。
Knowles听力响应曲线为两个TWS设计考虑因素提供了一个很好的案例：实现混合驱动器和添加听力个性化功能。在单驱动器耳机中很难实现超过10kHz的首选响应水平。可以用均衡提高高频能量水平，但这会大大增加DSP或功率放大器内信号削波的风险。可以通过降低系统的最大音量来避免这种情况，但用户可能会对耳机的效果感到失望。
Knowles建议使用平衡电枢高音扬声器，使扬声器能够满足首选聆听响应曲线，而不需要采用大量的电气均衡，否则可能会导致电气过载。添加平衡电枢高音单元，可以大幅提升耳机的高频灵敏度，避免强均衡的需要。高音扬声器支持使用针对降噪耳机所需的最大低频输出而优化的动态驱动器。高音扬声器避免了因较大、较重的音盆而导致的高频损失，并允许将动态驱动器移动到距离端口开口更远的位置，而不会产生高频损失的风险。这使得耳机外壳形状更具吸引力和舒适度。
鉴于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来根据自己的品味和年龄调整耳机，我们建议控制中心频率高于12kHz，最好接近16kHz。听众希望在其年龄段的平均提升之外至少有±5dB的调整。
符合上述建议的耳机有望为终端用户提供非常满意的体验，从而获得更高的音质评级。Knowles将其KN2参考设计调整为Knowles聆听响应曲线，从而使制造商能够轻松获得市场就绪的消费者首选的TWS设计。借助KN2参考设计，OEM可以提高其在高清音频技术市场的市场份额，并更快地为更多听众提供高性能、丰富的音质和功能，而无需考虑产品设计的障碍。
（原文刊登于EDN姊妹网站embedded，参考链接：How a preferred audio response curve enhances sound quality in true wireless stereo devices，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2023年10月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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