IEA Hi-Res Measuring Solution
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High Resolution ( Hi-Res )
Earphone Measurements Proposal
高解析 入耳式耳機量測⽅方法提案
IEA Electro-Acoustic Technology Co., Ltd
 
一 , 前言 Foreword
       高解析音樂,High Resolution Audio(HRA)乃是由Sony提出之聲音規格,由日本⾳響協
會Japan Audio Society(JAS)採納使用,⺫的在於藉由提⾼數位⾳訊的取樣率(Sampling
rate)與位元深度(Bit depth)來降低類比數位轉換的失真,與提高動態範圍,如此⼀來便能提
供給消費者更細緻的音樂體驗。
      對此JAS在2014年6⽉月12⽇發表文件,明確說明了HRA的規格,其基本定義追隨了日本
電⼦信息技術產業協會(JEITA)於2014年3⽉24日發表的文件:http://home.jeita.or.jp/page_file/
20140328095728_rhsiN0Pz8x.pdf , 自此之後HRA有了明確的定義,並制定出Hi-Res認證的商標
        Hi-Res的出現對於⽿機產品來說最⼤的附加價值,便是可以讓高頻延伸變得有更具意
義。根據取樣定理,取樣率需在被取樣訊號的2倍以上,以96 k Hz的取樣率來說,可以解析
40 kHz以上的高頻,於是⾼頻響應可延伸至40 k Hz以上的Hi-Res耳機開始出現在消費市場
上。
        而對於Hi-Res的耳機產品,JAS尚未明確定義其規格,也無標準法規來做認證與測試。
不過依照市場上的多數認定,凡高頻可延伸至40 k Hz的耳機,即具備Hi-Res的能力。但Hi-
Res的商標並非人人都可使用,JAS的規定是:Hi-Res的商標僅允許 JAS 與其合作夥伴CEA
旗下的會員使用( https://www.ce.org/News/News-Releases/Press-Releases/2014/CEA-and-
Japan-Audio-Society-to-Collaborate-on-Hi-R.aspx ),會員公司製作出耳機產品後,依照公司內
部自定的Hi-Res規範與流程完成測試,即可自我宣告該產品為Hi-Res產品,並掛上Hi-Res
商標於市場上販售。
       基於上述原因,Hi-Res耳機的“認證”工作落在了公司內部的聲學工程師身上,由於大家
先前甚少操作此規格的產品量測,且以入耳式耳機產品來說,為了依據IEC-60711的測試標
準,高頻的量測更是不易做到,為了滿足業內對於Hi-Res產品的測量需求,本公司特提出超
高頻入耳式耳機產品的測量解決方案,這裏以Sony 最早通過Hi-Res 認證的耳機 XBA-H3 平
衡電樞式耳機為例,解釋 Hi-Rse 入耳式耳機測量方式,以協助客戶研發產品及做為 Hi-Res
產品自我宣告的依據。

二,測量設備選擇建議 Measurement Equipments Suggestion
為達到Hi-Res測量的條件,以下設備規格為基本需求:
  1. 頻譜分析儀 Analyzer : Sample rate 192 k Hz per second , Bit depth 24 bits or higher
  2. 功率放大器 Power Amplifier : 20 Hz ~ 40 k Hz (± 0.5 dBV) THD less than 1 % or higher
  3. 測量麥克風 Measurement Microphone : IEC-60711 ear simulator or HAT
                                                                          (20 Hz ~ 20 k Hz ± 2 dB or higher)   
                                                                          Free field condenser Microphone
                                                                          
(20Hz ~ 40kHz ± 2 dB or higher) *註ㄧ
註一 : 由於IEC-60711或HATS仿真人頭之特性,無法測得20 k Hz以上之高頻,故須搭配另一支自由音場高頻
         麥克風作量測。

 
三,測量方法 Test Method
 
1. 測量儀器設備 Test equipments :
頻譜分析儀 Analyzer :             IEA EA-2 Acoustic Measurement System with Audiomatica
                                              CLIO FW-01 Interface
功率放大器 Power Amplifier : IEA 10 Watt Power Amplifier (10 Hz ~ 90 k Hz ± 0.5 dBV
                                              THD less 0.1 % from 10 Hz to 90 k Hz )
麥克風 Measurement Microphone :  Brüel & Kjær 4195-Q with 2695 preamplifier      
                                                          G.R.A.S 46 BF 1/4 inch free-field standard microphone
麥克風校正器 Calibrator :                 G.R.A.S 42AA (114 dBSPL at 250 Hz re. 20 µ Pa)
麥克風供電器 Microphone Power Supply :  CLIO FW-01 Phantom Power Supply
                                                                     Brüel & Kjær 5935
測試用治具 Measurement Fixture :               IEA Hi-Res Earphone Test Fixture
 

 
 
2.  測量環境條件 Environmental Conditions
環境溫度 Temperature :                           23 ± 3 ℃
相對濕度 Relative Humidity :                   60 % ± 10 %
大氣壓力 Atmospheric Pressure :           1031 hPa ± 20 %
環境噪音 (Environmental Noise floor) :    50 dBA ± 10 dB 

 
3. 測量步驟 Test Items :
  1. 測量條件設定 :
        頻率測量範圍 Test frequency range setting : 10 Hz ~ 89552 Hz
        測試密度 Oct :                                                1/12 oct
        測試電壓 Input voltage :                                 0.2 V , 1 mW , based on IEC 60268-7
        測量訊號 Stimulate signal :                            10 Hz ~ 89552 Hz swept sine wave tone
       
      b.60711 ear simulator經過校正後與耳機一起置於治具上 (fig.3-1) ,治具的目的在於精確固定耳機,以避免耳機自身的重量導致耳塞變形,造成洩壓或干射影響測試結果。再來是將
         頻率響應測量範圍設定在
10 Hz ~ 89552 Hz 的頻寬 (此為CLIO最高分析能力)
        並建議研發端以1/12 oct 的密度條件下做量測,以得到更精確的頻率分佈,測試結果如下圖所示:
 

 
             


            
          由此步驟所測得的頻響率響應圖可以看到以 60711 ear simulator 因機構上的限制,無法實際測得20 k Hz以上之高頻,所以接下來需搭配另一支單獨的
           高頻
Free-field microphone
做量測,以補足高頻曲線,本範例使用G.R.A.S 46BF free-field microphone.

     c.  46 BF校正後架上治具,注意麥克風振膜盡量遠離治具表面以避免干涉,將耳機置於麥克風1 ~ 5 mm 處(耳機不可觸碰到麥克風)
           並將中心點對準麥克風中心點(由於超高頻波長非常短,稍有偏差便能影響測量結果。)架設好後如 fig.3-3,以與步驟b相同 
           的條件進行量測,測試結果如下圖:

                      


                      
     此步驟的測試結果顯示中高頻處可得到更多延伸,尤其是在超高頻40 k Hz處也可測得數據,此法便足以證明耳機產品的高頻能力,
     不過低頻處卻由於耳機洩壓的關係而無法測得,這也就是為何不能單獨使用高頻
Free-field麥克風測量的原因,接下來只需將以上測
     的兩筆數據加以整合處理,便可以得到一組完整的頻率響應圖。



. 資料整合分析處理 Post Product
 
    1.有效頻寬判定 :       
     先前我們有提到,兩種測量方法對於頻率響應的量測各有其限制,這裏我們必須觀察兩個頻率響應曲線
(fig.4-1),找出其走勢相同處,取適當頻率為分界點,將46BF所測得之高頻與 60711 ear         simulator 所測得之中低頻銜接起來,便會得到一個完整的頻響曲線(fig.4-2)。
                       
                                               fig. 4-1 (green curve : 46BF , red curve : 60711 ear simulator)
                                                        此處觀察到約在4.9 k Hz處頻率走勢相同,故選定為銜接頻率。

                        
                                                                                       fig. 4-2
2. 銜接處相位的檢視:
     除了上一步驟的有效頻寬的判定外,相位的檢視也十分重要,需確認銜接頻率的相位走勢必須相同,以証明該銜接頻率確為有效頻率,
      也才可證明此產品測量的正確性.
 這裏需比較兩種方法所測得的相位走勢(fig.4-3)
                         
                                                   fig. 4-3 (green curve : 46BF , red curve : 60711 ear simulator)
     
         我們可以觀察到剛才所選定的頻率點
4.9 k Hz處,相位走勢幾乎重疊,可確認該頻率確實為適當的銜接點。
3. 音壓補償 :
 
        再觀察一次fig. 4-146 BF 所測量到的曲線,由於距離較遠的關係,整體音壓下降了不少,為了還原耳機在1 mW的功率下的實際音壓,必須將46 BF測得的數據做音壓補償,
         以銜接點頻率的音壓為基準,將其補償到與
60711 ear simulator 所測得的相同音壓位準,以利銜接作業,也才能符合實際功率的音壓情況。

                                                             
結論 Conclusion
 
       利用此方式可完全還原 Sony XBA-H3 的真實頻響(fig.5-1)也確實有辦法證明XBA-H3具備Hi-Res的能力並符合Sony原廠所宣告的結果(Frequency response to 40 k
       
Hz)。這是一個非常直觀,簡易並且完全可以直接測量成品的方式,測試結果相當穩定,我們非常推薦客戶可以採用此法作為 Hi-Res 產品的研發測試所使用。

 
               
                                                   fig. 5-1 (green curve : L , red curve : R)
                                       
                                         Sony XBA-H3 Specification

 
                                      類型 Type :                                    封閉式 closed type hybird
                                      靈敏度 Sensitivity :                        107 dB / mW at 1 k Hz
                                      阻抗 Impedance  :                         40 at 1 k Hz
                                      頻率響應 Frequency response :    3 Hz ~ 40 k Hz