耳機的頻響范圍超過20000HZ，有什么意義？

人的聽覺范圍是 20HZ～20000HZ，可是一部分耳機的頻響范圍會超過 20000HZ，有什么意義？

圖片：Picsues / CC0

人的聽覺規模是 20HZ～20000HZ，可是一部門耳機的頻響規模會跨越 20000HZ，有什么意義？

萌吳，德國國度音樂研究所聲學與音樂手藝研究員

這個問題感受已經回覆過良多次了。然而瀏覽了一下今朝已經有的 8 個謎底，居然都沒有說出重點。

起首給一個很簡短的考語：先不要說跨越 20000Hz 能不克不及聽見，你先問問這個標稱頻響 20-20000Hz 的耳機，接近 20Hz 以及 20000Hz 的時辰它真的發得作聲音嗎？

所以本人的回覆也從兩個方面來進行：人的聽覺，和耳機的頻響。

起首談一下人的聽覺規模，所謂的“20-20kHz”

看知乎的人紛歧建都是聲學專家，所以先從最根基的起頭。所謂 Hz，是時候 t 的倒數單元，也就是說，t 的單元是秒 s，而給秒取倒數，就獲得了 Hz，也就當作了 1/ 秒，也就是每秒的次數。那么，20Hz 也就是每秒 20 次的意思。聲音是一種振動，但凡振動都有周期，也就是有了頻率，所謂 20Hz 的聲音，也就是每秒振動 20 次的意思。

人耳是經由過程耳膜被外界空氣傳來的振動所激勵，從而鞭策三根小聽骨所構成的杠桿布局，將頻率不變、振幅增大的振動形式傳遞到耳蝸的卵圓窗，耳蝸內的液體在振動中擾動毛細胞，造當作基底膜兩側電壓差，從而有電流發生并被送入聽神經。振動被轉化為分歧頻率的電旌旗燈號送入腦神經收集，而振動所發生的壓力從耳蝸上的另一個橢圓窗被釋放。這是一個完全由硬件實現的過程。既然是硬件，就有線性度，有頻響曲線，所以也就有了嘗試測得的所謂可聽規模。

可能良多人都知道有一個工具叫做等響度曲線：

這個曲線的意義在于，讓作為通俗人的我們大白，人耳并不是一個線性（線性的“線”是直線的意思，也就是說，一個系統若是是線性的，那么它的輸入和輸出函數在坐標系里會是一根直線，也就是不依靠于頻率的等比例輸出）系統，它在分歧頻率上也有分歧的活絡度。好比這張圖上，一根紅線所代表的就是一個本家兒不雅的響度，那么 60phon（phon 是心理聲學的響度單元，0phon 代表剛好聽不到，100phon 代表耳朵能承受的最大音量）的響度曲線上我們可以看到，一個 20Hz 的聲音要大約 110 分貝，而大約 16kHz 的聲音只要大約 68 分貝，我們的耳朵會認為這兩個聲音響度是一樣的。

這里的分貝值是絕對的物理量。也就是說，要讓我們聽到一個 20Hz 的聲音和一個 16kHz 的聲音一樣響，用來驅動耳機發聲單位的電流值是分歧的，耳機振膜的振幅也是分歧的。

也許你會說 16kHz 和 20kHz 之間相差了 4000Hz，怎么會有這么大的缺口？那么這里還需要再補一課：人耳對頻率的認知居然也不是線性的。而是對數形式的。

頻率高，我們就會感覺聲音高，反之則低。然而頻率凹凸之間的差別卻并不是線性地反映到我們對聲音凹凸的認知中去。舉例：我們知道，一個八度之間是兩倍的頻率關系。也就是說，20Hz 高一個八度是 40Hz，而 1000Hz 高一個八度不是 1020Hz，而是 2000Hz。這樣看來，頻率越高，其相對我們對聲音凹凸認知的差距就會越大。20kHz 只比 16kHz 高了 1.25 倍。1.25 倍是什么概念呢？差不多就是一個大三度，也就是我們唱的 do re mi 里面的 do 和 mi 之間的距離罷了。

當然了，用于音樂的本家兒音的頻率，以鋼琴為例，最低的是 A2，頻率大約為 27.5Hz，最高音是 c5，頻率大約 4186Hz。不在這個頻率規模內的聲音，很難發生音樂旋律的感受。然而音樂的賞識離不開人耳對高達約 20kHz 頻率聲音的認知，是因為聲音里面有泛音，也恰是泛音決議了樂器的音色。好比下圖是小提琴上拉出單音 g，#g，a 和 b 的頻譜：

圖上可以看出，這四個分歧的音高，在頻率能量的分布上看起來極為相似（音色相似），而我們人耳對于其音高的認知則十分較著（能量最集中的頻率點分歧）。這是因為聽覺系統具有極高的時候分辯率，對于極細微的時候布局（TFS，temporal fine structure）也能明白分辯。

我在我的專欄里寫過一篇文章：

萌吳我們真的能聽到的聲音嗎

在這篇文章里指出了，因為所謂 20Hz 到 20kHz 的聽覺規模是用單音的方式測得，而近年來已經有學者經由過程對比包含高頻內容和不包含高頻內容的音樂素材發現，非論性別、春秋和聽音經驗，人耳都有區分這些素材的能力。研究的方式很簡單，就是業界常用的 ABX 方式：被試者在軟件界面上點擊 A、B、X 三個按鈕聆聽其所播放的聲音素材，然后在 A 和 B 中選擇與 X 不異的那個素材。凡是被試被要求連做 18 次（當然，ABX 每次都隨機改變），若是做對的次數高于 12 次，就可以認為他“蒙對”的概率很低。這些高頻內容甚至可以或許達到 21kHz。若何詮釋這種現象呢？用直白一點的話來說，就是：一個 20kHz 的正弦波單音（因為正弦波代表的是簡諧振動，其物理特征決議了按照簡諧振動發出的聲波沒有泛音，在頻譜上只有一個頻率，所以在嘗試中被普遍應用作單音，或純音）你聽不見，但一個鈴鐺的聲音被抱負地錄下來，做當作兩個版本，一個抱負高保真（這里就要用到頻響跨越 20kHz 的耳機，因為鈴鐺振動時必然有跨越 20kHz 的頻率部門），另一個切失落了 20kHz 以上的頻率，你是可以分辯出這兩個灌音的！事實上，對于鈴鐺、镲等這類高頻能量集中的金屬樂器的敲擊聲，其高頻部門冷峻的音色極大依靠于 16kHz 擺布以上的部門。當大約 16kHz 擺布起頭被切失落（high cut）時，我們凡是能聽出十分較著的音色轉變。而這些頻率的部門，就是我們所說的 TFS。

恰是因為人耳對于 TFS 極為敏感，音響系統才需要盡量包管在可聽規模內的線性輸出，不然很輕易被認為掉真。所以，接下來我們進入下一個環節——

耳機頻響規模跨越 20kHz 并不是為了耍酷

上面已經說了，固然我們人耳的“頻響”規模不是線性的，但到了高頻部門，對于 TFS 的認知倒是毫不迷糊的。這也就要求，耳機要在這些頻率規模的線性度必然要很是好，要盡可能真實地還原這些部門。

所以，不管是提問者，仍是回覆者，仿佛都認為一個耳機標稱 20-20000Hz，那么它的頻響在 20Hz 處就俄然從無到有，然后一向挺拔地連結到 20000Hz 處，而在 20001Hz 處就驀地崩塌？我把你們這種 idea 畫了個圖：

不管你是學文科，理科，仍是工科，我請問你，上圖這種頻率響應，可能嗎？有這樣的耳機嗎？？？若是有，必然保舉給我，我砸鍋賣鐵也要去買一副啊！

事實上，實際中存在的耳機的頻率響應是這樣的：

這三個圖別離是圖說中兩副耳機和一個揚聲器在 40 個被試梗阻耳道中的頻率響應傳遞函數。像中心這個，拜亞動力的 DT-990，已經算是頻響很是好的耳機了，本家兒不雅聽感線性度已經一級棒了。而從線性角度來審閱的時辰，則會看到從大約 4000Hz 起頭有較著的高卑和非線性。

再來一張來自收集的圖，可以更直不雅地詮釋耳機作為一種物理振動的實現者，在頻率響應上的非線性度：

假設你是這副耳機的制造者，當你對它進行測試并獲得上圖的頻率響應后，你可以理所當然地標稱它的頻響規模是 20Hz 到 20000Hz。可是它的線性度若何呢？幾乎沒有哪個廠商會把它印在包裝盒上了。當然了，我也沒有見過真正傻到只把線性度好的規模看成頻響規模來推銷的廠商。當然，專業供給嘗試設備的除外。事實上專業的音響設備在銘牌上甚至也會畫上頻響曲線。

所以，明白了這一點，也就不難理解，為什么可能有的耳機標稱 5Hz 到 80000Hz 的頻響。因為，5Hz 其實比 20Hz 低了 2 個八度，而 80000Hz 比 20000Hz 高了 2 個八度。一來，在頻響規模兩側各拓寬 2 個八度，這從一般聲音的泛音規模來看，在物理屬性上也并不是一個寬得夸張的規模；二來，就算我們用這副耳機不是聽音樂，而是聽正弦波單音，從它拓寬的頻響規模也可以知道，它的頻響曲線必心猿意馬比上圖要寬廣，也就意味著在我可感知的 20Hz 到 20000Hz 規模內，它的線性度必然更好，因為它的線性度急速衰減發生在兩側 5Hz 和 80000Hz 四周，而這里是超越我可聽規模的處所。

我又畫了一副圖：這只是一副簡化了的示意圖，藍色的曲線暗示某頻響標稱 20-20kHz 的耳機的頻響曲線，紅色的是標稱 5-40kHz 頻響的某耳機的頻響曲線。我們忽略在頻響規模內的高卑，只看兩側的極值處：紅色的耳機較著在人類可聽規模內線性度更好。

綜上：

在一個復雜的聲音里（尤其是音樂），16kHz 以上甚至 21kHz 部門的 TFS 是完全可以被人耳清楚識別、并作出是否掉真的判定的。復雜聲音也恰好是絕大大都消費者用耳機聽的內容。這就要求耳機在 20kHz 甚至更高頻率處也要有極好的線性頻響。
耳機標稱 20Hz-20000Hz 頻率響應，并不代表它的頻率響應在這個規模內——尤其是在兩頭——也是線性的。事實上，越接近極值，它的頻響就越差。甚至可能有的耳機在 20000Hz 處只能測得極其微弱的響應，卻也依然可以標稱達到了 20000Hz 的頻響。
因為耳機振膜的物理屬性，它在所標稱的頻響規模兩側極值處必然有極大的衰減（其實這里恰好應該反過來理解：因為在這兩個值處有衰減，所以才標稱這兩個值為極值）。這就像一個倒扣過來的盤子——這是天然紀律。那么，頻響規模越寬，這個盤子就越大，而當它極大地大過我的可聽規模時，可能在我可聽規模的兩頭極值處就可以獲得相對更好的線性度。

發表于 2019-07-01 21:32
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