耳道的案例
我們真的需要新的聽力模擬標準嗎？
因此，我與 Brüel & Kj?r一起提出了這個問題，并弄清了為什么會這樣——典型的711配置的耳道是一個7.5mm x 22mm的管子，這種711配置的等效體積約為1.26立方厘米；5128的耳道是一個平均的人耳道，長約27毫米，5128的等效體積約為1.55立方厘米，而711等于1.26立方厘米。711是40多年前編制的，我們通過基于離體尸體研究以及像Brüel & Kj?r一樣進行的MRI研究進行的更高級的掃描研究，已經更好地了解了人耳道乃至鼓膜的尺寸。成年人耳道的長度約為22毫米至31毫米，因此711耳道實際上比一般成年人耳道小。實際上，它更接近這個范圍的下限。
以Etymotic ER4耳機為例，Brüel & Kj?r估計了帶有兩種固定裝置的插入式耳機前面的剩余空腔。
當插入到711模擬器中，插入的耳塞前方大約有575立方毫米空腔，但它是插入到5128的耳朵中，插入的耳塞前方大約留有750立方毫米。輻射到小外殼中的接收器將產生與空間體積成反比的聲壓。因此，使用711的空間更小，因此壓力更大，這就是我們在這里看到的。而且，聲輸出阻抗越高，被測設備越閉合，則對耳道的密封越好，您就越有可能看到這種情況。
插入到711模擬器中
插入到5128的耳朵中
因此，這完全取決于您要測試的特定耳機。有些開放型耳罩式耳機顯示出更多的基礎差異，部分入耳式耳機具有類似的基準電平。同樣，唯一可以確定的方法就是測量，但無論您要測量什么，我都相信5128與以前的標準相比，將獲得更人性化的響應。
借用已故的Edgar Shaw的名言結尾：
將聲學天線系統劃分為功能部件、以軀干和耳廓凸緣作為衍射體是很有用的。外耳和耳道充當聲學諧振器，而耳膜提供聲學終端。
展開 我們真的需要新的聽力模擬標準嗎？
因此，我與 Brüel & Kj?r一起提出了這個問題，并弄清了為什么會這樣——典型的711配置的耳道是一個7.5mm x 22mm的管子，這種711配置的等效體積約為1.26立方厘米；5128的耳道是一個平均的人耳道，長約27毫米，5128的等效體積約為1.55立方厘米，而711等于1.26立方厘米。711是40多年前編制的，我們通過基于離體尸體研究以及像Brüel & Kj?r一樣進行的MRI研究進行的更高級的掃描研究，已經更好地了解了人耳道乃至鼓膜的尺寸。成年人耳道的長度約為22毫米至31毫米，因此
711耳道實際上比一般成年人耳道小
。實際上，它更接近這個范圍的下限。
以Etymotic ER4耳機為例，Brüel & Kj?r估計了帶有兩種固定裝置的插入式耳機前面的剩余空腔。
當插入到711模擬器中，插入的耳塞前方大約有575立方毫米空腔，但它是插入到5128的耳朵中，插入的耳塞前方大約留有750立方毫米。輻射到小外殼中的接收器將產生與空間體積成反比的聲壓。因此，使用711的空間更小，因此壓力更大，這就是我們在這里看到的。而且，聲輸出阻抗越高，被測設備越閉合，則對耳道的密封越好，您就越有可能看到這種情況。
展開 為什么你需要一臺全新5128型高頻頭和軀干模擬器？
具有正確解剖學構造的耳朵
我們利用核磁共振（MRI）掃描儀技術，收集了人耳幾何構造方面的大量信息。采集了完整的耳道幾何構造信息，包括連接耳膜的耳管骨部。所有數據經后期處理，我們即可確定一般人耳耳道的幾何構造。新型仿真耳的人造耳道
具有正確的解剖學構造，該人造耳道配有一個成一定角度的耳膜模擬器，該模擬器精確置于耳膜處，以貼合人耳。利用仿人耳廓內部構造的新型外形設計，打造一款更加耐磨損、性能更穩健的仿真耳。柔軟部件（硅橡膠仿真耳）與硬質材料（可安裝耳膜模擬器的耳道末端）之間的過渡部分可保留柔軟部件與人耳耳道骨部之間的過渡部分。
我們還在仿真耳周圍加設了一條軟質硅膠帶，以
更好地密封耳罩式耳機。仿真耳的新型卡入式系統可以
快速拆卸仿真耳，可在必要時輕松實現仿真耳的更換。最后，我們設計出一種新的機件，便于新型耳膜模擬器在人耳內的迅速裝取，從而可使用定制的外耳與耳道幾何構造。
剛才提到的是新型耳膜模擬器嗎？
測量人耳耳道解剖學構造時，我們還測量了每一只單耳的全音域聲阻抗，從而
測定人體平均聲阻抗。
展開 如何定義可以代表普通人耳的實際形狀？
隨著對便攜式設備（例如手機、電話、耳機和音頻流設備）具有更好的音頻質量的需求不斷增長，顯然，傳統“711”耦合器的8kHz帶寬并不足夠，因此需要一種新的方法，在
整個音頻范圍內匹配人耳的聲阻抗。
初步研究表明，3.3型耳模擬器的幾何形狀過于簡單，因此無法將人耳的復數聲阻抗復制到20kHz，需要更“擬人”的幾何形狀。
當然，問題在于，
每個耳朵都不一樣。那么，我們如何定義可以代表普通人耳的實際形狀呢？
我們需要
確定平均幾何形狀和阻抗，對平均幾何形狀的追求始于40多名志愿者的MRI掃描，他們來自不同年齡、種族和性別。初步的MRI掃描并未得到好的數據，因為圖像中的耳道壁不夠清晰。通過在耳道中添加造影劑，這個問題得以解決，這樣就可以得到足夠高質量的圖像，以準確表征耳道。通過MRI掃描，他們能夠創建耳道幾何形狀的準確3D畫像，并可以將其轉換為實體幾何模型。
盡管志愿者耳道的總體形狀大致相似，他們之間的
細節差異很大。使用圖像配準方法進行幾何平均，用于確定沿耳道長度的平均輪廓，從而得到用作耳道設計基礎的平均3D模型。此處，我們將幾何平均值與測量的對象之一進行比較。如您所見，平均值保留了各個度量的關鍵特征，但消除了更多
隨機細節。
該過程的第二步是
確定平均聲阻抗。這需要使用專門設計的阻抗探頭，該探頭需要能在耳道中精確定位。為此，使用從MRI測量中提取的幾何形狀，為每個志愿者模制單獨的耳塞。每個耳塞都設計為將探頭盡可能地靠近距鼓膜19mm的公共參考平面。阻抗探頭本身是使用兩個傳聲器探頭組件的，一個用于測量響應，另一個用于充當聲源。測量探頭外殼中的盤管可在探頭尖端提供平滑的頻率響應和高聲阻抗。
展開 
您如何評估產品發出的聲音？
但是，當產生的聲音接近人耳時，聲音會被聲學負載效應改變，因此測量需要緊密模擬人的聽力系統。
人耳是一個復雜的結構，但從本質上講，有兩個部分需要建模才能進行精確的模擬，提供聲音方向性的耳廓，可控制頻率形狀和聲阻抗的耳道和中耳。
中耳，包括鼓膜和三個小骨頭，稱為聽小骨，可以被視為高質量的傳聲器；耳鼓膜位于耳道的末端；耳道通過共振來改變外部聲場，在某些頻率下放大聲音。
但這并不是唯一要解決的問題，因為耳朵的響應也會隨著音頻設備在多大程度上緊貼耳道入口，或對耳道入口形成聲學負載而變化。
最初嘗試設計聲耦合腔的目的是針對當時使用的電話和耳機。最初，耳道和耳廓被表示為簡單的體積。最終在1970年制定了IEC 318標準。這是對人耳的粗略模擬，其模型將可用頻率范圍限制在8kHz以下。
電子產品向更小、可穿戴、具有更寬頻率范圍的演化，推動了對具有更寬頻率范圍和更高準確性的耳模擬器的需求。
1981年，新的耳模擬耦合腔IEC 711標準化，被稱為“711耦合腔”。配備一系列的適配器，它可用于插入式耳機和助聽器，它的頻率范圍擴展到了10kHz。
數字音頻的發展、對雙耳聽力興趣的增長以及3D空間中音源的定位，引領研究開發評估可穿戴產品的解決方案。
這些產品大多在開放環境使用，僅通過模擬中耳和簡化的耳廓無法準確測量。需要一個更完整的耳模擬器，它應集成聲耦合腔和耳廓的精確構造。研究表明，耳廓、頭以及肩膀會影響自由和擴散場的耳朵響應。
這致使1987年開始研發頭和軀干模擬器（HATS）。
下一期中，我們將介紹4129型HATS如何發展為5128型高頻頭和軀干模擬器，敬請期待！
展開 追求完美是條永無止境的路，索尼是如何身體力行的？
Tsunoda繼續說道： “在我們測試的頻率下，人頭的幾何形狀，特別是耳廓和耳道的形狀，對測量精度有很大的影響，人頭和耳廓形狀的個體差異是我們遇到的最大問題，必須找到一種最折中的平均幾何形狀。”
HATS輸出 vs 背景噪聲譜：瞬時值
在查閱了所有已公布數據后，該小組決定在頭部和耳朵的幾何形狀方面開展自己的研究。為了獲得精確的幾何模型，索尼用MRI掃描儀測量了許多人的耳道及耳廓，從而得到平均的幾何形狀。根據這些數據，他們使用3D打印技術構建了一個人耳模擬器來替代標準的4128型HATS（頭與軀干模擬器）中的耳模擬器和耳廓。
實驗性二次設計
接下來的挑戰是優化測量系統。為了嘗試更貼切地復制人耳體驗，他們知道必須在希望的頻率范圍內在靠近耳鼓的位置進行測量。他們決定用測量范圍高達140kHz，直徑為1/8英寸的4138型傳聲器替換HATS的標配傳聲器，放置于人造耳道內耳鼓的位置。
團隊成員Naotaka Tsunoda, Takeshi Hara, Koji Nageno和HATS
對這種配置的測試表明，標準HATS在較高的頻率下的響應改善了，貼耳式（包耳式）耳機和耳罩式（頭戴式）耳機在較低的頻率下具有良好的相關性。
但是對于入耳式耳機，他們發現了問題。“入耳式耳機在500 Hz至4 kHz范圍內的響應明顯更高，我們的設計可能無法準確地匹配人耳阻抗”，Tsunoda解釋說。“入耳式耳機配置在耳朵上產生的聲負載遠高于其他設計，這正是問題所在。”
強強聯手
大約是在2015年，Tsunoda與B&K取得聯系，討論這個問題。英雄所見略同。當時，我廠也已經著手研究真實人類耳道一段時間了，并重點優化了新設計中的聲阻抗。我廠團隊分享了他們開發原型樣機的信息，并解釋了Sony發現的入耳差異的原因。
展開 耳朵的結構究竟長什么樣？如何處理聲音信號？
外耳
外耳包括耳廓和耳道，耳廓在聲源定位中起著重要的作用。此外，其像喇叭一樣的形狀提供了從頭部周圍“無限”空間的平滑過渡，將聲音傳送到狹窄的耳道。然后耳道將聲音傳導到鼓膜（一種將外耳與中耳分開的薄膜）。
中耳
中耳位于外耳和內耳之間，是一個含氣的小腔隙。
該腔隙的目的有兩個：
它包含一個三骨結構，稱為聽小骨，連接著鼓膜和內耳。由于內耳充滿流體，這使得鼓膜的直接激發效率低下，因此需要這種類似齒輪箱的機制進行放大。
需要中耳來平衡整個鼓膜的壓力。健康的鼓膜是完全密閉的，可防止氣流從外耳進入中耳。兩個腔隙間的壓差將膜片移進和移出，這正是拾取聲音的快速壓力波動所需要的。
外耳尺寸和放大
外耳對1到5kHz之間的頻率特別敏感。無獨有偶，這個范圍對通信也非常重要，我們聽力最敏感的頻率就是3kHz左右。
展開 耳朵究竟長什么樣？如何處理聲音信號？
外耳
外耳包括耳廓和耳道，耳廓在聲源定位中起著重要的作用。此外，其像喇叭一樣的形狀提供了從頭部周圍“無限”空間的平滑過渡，將聲音傳送到狹窄的耳道。然后耳道將聲音傳導到鼓膜（一種將外耳與中耳分開的薄膜）。
中耳
中耳位于外耳和內耳之間，是一個含有空氣的小腔隙。
該腔隙的目的有兩個：
它包含一個三骨結構，稱為聽小骨，連接著鼓膜和內耳。由于內耳充滿流體，這使得鼓膜的直接激發效率低下，因此需要這種類似齒輪箱的機制進行放大。
需要中耳來平衡整個鼓膜的壓力。健康的鼓膜是完全密閉的，可防止氣流從外耳進入中耳。兩個腔隙間的壓差將膜片移進和移出，這正是拾取聲音的快速壓力波動所需要的。
外耳尺寸和放大
外耳對1到5kHz之間的頻率特別敏感。無獨有偶，這個范圍對通信也非常重要，我們聽力最敏感的頻率就是3kHz左右。
展開 央視視角 | B&K助力電聲行業發展
B&K 5128型高頻頭和軀干模擬器 (HATS)適用于例如智能手機、電話機、音頻會議設備、麥克風，耳機、助聽器和聽力保護器的現場電聲學測試，是具有真實人耳結構的耳道及嘴模擬器的人工頭，可提供平均成年人頭部和軀干聲學特性的真實再現。高頻HATS設計用于現場電聲學測試，可以覆蓋完整的可聽頻率范圍（高達20 kHz）。
使用場景
根據國家和國際通信質量標準測試智能手機的音頻性能，包括移動手機及無繩電話
在背景噪聲和可能產生反饋到系統中的情況下評估耳機雙向通信的清晰度
使用免提裝置（例如基于準確播放語音的電話會議系統）進行方向性、清晰度、反饋和背景噪聲抑制的雙向通信清晰度的評估
有助于評估麥克風對于人類語言錄音的準確性，包括響度，方向和齒擦音的變化
以人類對音質認知的方式來測量耳機的音頻響應。這使設計者可以識別和改進耳機設計中由于人為因素導致頻率響應的異常。由于幾何匹配對評估至關重要，新的耳道設計也為入耳式耳機的設計提供了更大的幫助
具有正確解剖定位的助聽器的聲音質量評估
使用正確的耳道幾何形狀和頭部解剖結構測量聽力保護器的衰減和有效密封性
HBK大中華區總經理謝明先生表示：“中國的電聲行業發展迅速，B&K將憑借在這一領域的專業技術和解決方案，為眾多電聲客戶服務，持續助力電聲行業的發展。”
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展開 3D收聽 | 聽覺系統的特殊能力——確定聲源的位置
中正面上的聲源是最難定位，因為在中正面上幾乎沒有耳間差異。
然而，我們的方向感多數是建立在經驗之上的，這與我們自己的生理特征有關，比如我們的頭、耳廓和耳道的大小和形狀。隨著時間的推移，我們的聽覺系統建立了一個參考數據庫，例如注意到來自后面的聲音聽起來稍顯沉悶。
因此，為了創造令人信服的空間體驗，并感知聲源的確切位置，聲音的再現必須提供我們的聽覺系統所習慣的所有信息。基本上有以下兩種方法：
1：雙耳錄音
可以用靠近耳朵的一對傳聲器進行雙耳錄音，或者像通常做法一樣，使用人工頭并將傳聲器放在耳道入口處。這樣的錄音可通過高品質耳機直接播放；也就是說，聲音再現為盡可能接近被捕獲的同一點上的特性。無需進一步的信號處理（例如串音消除）就通過揚聲器播放是不可行的，因為信號將通過房間和聽眾的頭部發送，從而創建完全不同的體驗。
圖2：使用揚聲器對三維音景的精確再現需要高度吸聲的房間，以避免反射
2：傳聲器陣列
這種方法需用到緊密排列的傳聲器三維陣列。它記錄了一個點的聲音，但也包括了關于入射方向的空間信息。借助復雜的算法，可以在收聽者四周布置揚聲器，再現與其相似的聲場。如果聽音室吸音能力很好，傳到聽眾的聲音未被反射，那效果是最好的。否則，再現的聲音力會受房間特性影響（圖2）。該技術要求聽眾留在固定的位置上，或至少待在有限的區域內。然而，體驗會感覺很真實；轉向不同的揚聲器會讓你覺得你正面對著實際的聲源。
圖3：按特定的角度測量聲源的HRTF
頭部相關的傳遞函數
我們可以將這兩種技術結合在一起，并通過耳機播放聲音。這也需要一些處理，以將陣列記錄的數據轉換為雙耳信號。為了做到這一點，我們需要考慮到聽眾的頭，以及它如何影響從各個方向傳來的聲音。
該關系可以用頭部相關的傳遞函數（HRTF）說明。
展開 我們如何定位聲音？如何重現真實的聲學體驗？
兩耳時差 圖1a：當聲音來自前方，雙耳時間差為零（左）。當聲音來自側面，頭的尺寸約為20厘米，聲速為340米/秒，最大時差為0.58毫秒（右）
在低頻下可以最佳地
破譯
相位差。在較高的頻率下，與頭部的尺寸相比，波長可能太短，以至于信號模式自身重復，兩只耳朵可能碰巧接收到相同的相位（圖1b）。
兩耳相位差 圖1b：通常耳朵會感測到相位差（左），根據頻率和入射角度，它們可以檢測到虛假相位匹配（右）。
幸運的是，聽覺系統可以借助另一個線索：當聲音從側面到達時，我們的
頭部會產生聲影區
，并隨頻率上升而擴大。
在非常低的頻率下，我們頭部的尺寸與空氣中的聲音的波長相比是小的。因此，無論聲音從哪個方向到達，左耳和右耳的聲壓基本相同。
然而，隨著頻率的增加，波長減小，此時我們的頭部尺寸不能再被忽略了。它成為屏蔽和反射聲音的障礙物，使得與面向聲源的耳朵相比，當其到達頭部另一側的耳朵時，較高頻率的成分將被衰減。
我們的耳廓的形狀還可提供豐富的
頻譜
（依賴于頻率）
線索
。像頭部的聲影區一樣，耳廓起到一個屏蔽層的作用，使不是從前面直接進入的較高頻率的聲音衰減。你可以通過轉離再轉向一個聲源來體驗這一點。這樣做的時候，你應該能感受到高頻率的微小變化，而這種變化你通常是不會注意到的。
另外，根據頻率和入射方向，聲音在耳廓內反射到耳道時，
耳廓的形狀
會影響聲音，從而增強某些頻率并衰減其他頻率。
雙耳聲記錄和重放
一般來說，要獲得正確的空間聲學體驗，我們需要兩只耳朵（雙耳），因為左耳和右耳之間的對比給出了關于聲源位置的最有力線索。中正面上的聲源是最難定位，因為在中正面上幾乎沒有耳間差異。
展開 
我們如何定位聲音？如何重現真實的聲學體驗？
中正面上的聲源是最難定位，因為在中正面上幾乎沒有耳間差異。
然而，我們的方向感多數是建立在經驗之上的，這與我們自己的生理（我們的頭、耳廓和耳道的大小和形狀）有關。隨著時間的推移，我們的聽覺系統建立了一個
參考數據庫
，例如注意到來自后面的聲音聽起來稍顯沉悶。因此，為了創造令人信服的空間體驗，并感知聲源的確切位置，聲音的再現必須提供我們的聽覺系統所習慣的所有信息。
目前主流的
雙耳聲記錄與重放
是采用人頭與軀干模擬器（Head and Torso Simulator, HATS）采集聲音，再用耳機播放出來，這種方式能夠真實地模擬人與聲場環境的相互影響，廣泛應用于聲品質主觀評價，這屬于
靜態的雙耳聲重放
。
隨著
“元宇宙”
時代的到來，我們在AR/VR場景中希望更加身臨其境的感受雙耳聲音，比如，頭部可以任意轉動，聽到不同方向的聲音。或者同樣的音頻信號，在不同的虛擬或現實環境中會有怎樣的表現，等等，這屬于
動態的雙耳聲重放
。
展開 向邊界元法致敬！
原位電聲測試是一種標準的評估方法，然而軀干、頭部、耳廓和耳道形狀不規則，并且因人而異，常常給聲學工程師帶來極大的困擾。
為了確保采集的聲學數據盡可能準確，聲音與振動測量設備制造商 Brüel & Kj?r開發出了頭部和軀干模擬器（Head and Torso Simulator，簡稱 HATS）。這一模型可以準確地再現普通成人頭部和軀干的幾何結構與聲學性能（圖 1）。此裝置配有耳口模擬器，是對耳機、免提通話裝置、助聽器、頭盔和聽力保護器進行電聲測試的理想選擇。耳模擬器通常是一個與前置放大器相連的半英寸耳機，而口模擬器是一臺高順性揚聲器，它通過聲壓分布來模擬普通成人講話時的情況。
圖 1. 使用 HATS（頭和軀干模擬器）測試集成式頭盔系統。
多年來，丹麥瑞聲達（GN Resound）公司一直使用 HATS 作為測量裝置，用于研究耳朵幾何結構對耳膜感知聲音的影響，并測定由耳朵和頭部幾何結構而產生的聲散射的方向性特征。近期，他們使用 COMSOL Multiphysics? 軟件構建 HATS 的計算模型。高級工程師 René Christensen 利用軟件中的邊界元法（boundary element method，簡稱 BEM）功能完成了這項任務。模型完成后，許多同事都發現各自的研究均可以采用此仿真工具替代人體模型。
為何選擇邊界元法？
軀干、頭部、耳廓和耳道對空氣傳播聲音信號以及頭部周圍聲場的綜合影響，被稱之為頭部相關傳輸函數。 “在遠離頭部的空間中指定一點，你可以描述該點發出的聲音到耳膜的傳輸過程。”Christensen 解釋道。這種確定性模擬方法可以對麥克風擺放在不同位置時產生的聲音（示例興趣點見圖 2）進行可視化研究，由此協助工程師制定工程決策，并探索頭部和軀體對總聲壓的影響（圖3）。
展開 實現超清晰3D空間感音樂——來自3個HATS的完美搭配
我們有三臺不同型號的HATS可供錄音：第一種是4100型聲品質HATS，其中傳聲器安裝在耳道入口處；第二種是帶圓柱形耳道和校準式仿真耳的4128型HATS；第三種是帶仿人耳道和校準式耳膜模擬器的5128型高頻HATS。
通過對教堂室內環境聲和鋼琴旁的近距離收音實施同步錄音，我們能在混音階段通過深度感測開展實驗。因此，我們完全是根據最佳音樂效果選擇了HATS定位法。經過幾次實驗后，我們發現高頻HATS是各款HATS產品中定向性能最佳的模擬器，并且能保持良好的聲聚焦，故選用了高頻HATS錄制環境聲（即錄音時離鋼琴更遠，并實現鋼琴直達聲與室內聲響之間的完全平衡）。另外兩款HATS置于鋼琴周圍，用于突顯鋼琴音的不同音質，但不會在室內產生過多反射音。
出于對比目的，我們在高頻HATS后面的理想高度處安裝了一個"Williams Star"環繞式麥克風陣列，并在鋼琴琴弦上方放置了一個立體聲近距離收音系統，以便在后期混音階段使用。
最后，在加設了環繞式麥克風的情況下，鋼琴家埃里克·卡爾托弗（Erik Kaltoft）準備好彈奏Nos Gypédies創作的三個曲段。
Kristian Rymkier
丹麥前衛作曲家、音樂家
除了創作室內樂、聲樂和管弦樂作品外，Kristian Rymkier在側重于3D音樂的基礎上，還運用各種音響設施和數碼音樂創作手段，創作出將空間感作為音樂元素之一、通過耳機體驗的空間音樂作品。
展開 蘋果新專利 | AirPods或將提供磨牙癥的診斷和監測
通過這種方式，像顳骨乳突部分和耳道這樣的骨突出物適合定位換能器，并直接感知振動。
蘋果的專利圖1示出了插入用戶耳朵中的耳塞和加速度計，該加速度計捕獲由磨牙癥事件引起的音頻帶中的聲音振動；圖2是示出用于診斷和監測磨牙癥的系統的結構框圖；圖3是口腔表面活動的示例聲學剖面圖的頻譜圖。
下面的蘋果專利圖6是用于診斷和監測磨牙癥事件的數據處理管道的流程圖。
從AirPods目前的設計可以很明顯地看出，其在白天是如何工作的。然而，為了在夜間監測用戶的磨牙癥，蘋果可能需要重新設計AirPods，讓用戶在側臥時不容易將耳機掉出來。
信息源于：patentlyapple
