高端耳机和音响，何谓“高端”？——从声学仿真的视角透视高端工业品
引言
引言
耳机和音响作为电子产业的核心工业品之一，广泛集成于手机、汽车、家庭影院等电子消费品，2024年上半年中国蓝牙耳机市场出货量达到5540万台，同比增长20.8%。2024年第一季度全球TWS耳机市场出货量达到6500万，同比增长6%。
在耳机和音响的消费者群体中，有一群相当追求耳机音质的用户，称为“发烧友”。烧友们追求HiFi(High-Fidelity)，即追求声音的“高保真”。 可见，消费者对音质的追求永无止境。此外，消费者对耳机和音响的需求也日益多样化，不仅关注音质和舒适度，产品的智能化、便携性和外观设计，也越来越注重有降噪、护耳、环保材料应用等健康功能。多功能的集成背后是技术集成。本文从声学仿真应用的技术视角帮助读者看懂该行业的底层逻辑。
01
声音与声学仿真
声学，与力学、热学、电学、光学一样，都属于经典物理学的分支之一。
众所周知，声音，其实就是声源发出振动，然后介质将声波传递到人的耳朵里，人耳的鼓膜感受到振动，人就听到了声音。除了耳机与音响以外，声学作为一个独立学科，在许多工程科学中都有应用。比如对高铁站、道路、工厂等建筑的隔音降噪控制，以及地震、水声工程等领域都会用到声学相关技术。
高铁车站的噪声仿真
以有限元法为代表的数值仿真技术，能够在计算机中模拟真实的物理过程，从而在产品或建筑的前期设计阶段评估其各方面的性能表现。对声学仿真来说，软件可以求解声音在空间内传播过程中的声压、粒子速度、温度、能量等物理量，从而评估音响设备的声学性能。
音乐厅声场仿真
一个典型的例子是音乐厅的建筑设计。在音乐厅的设计中，建筑的声学性能是需要考虑的关键因素之一。使用基于几何声学原理的仿真软件CATT Acoustic，设计师可以根据音乐厅的室内结构、各部分的材质，来计算评估音乐厅礼堂内观众们听到的声音品质。包括平均混响时间、声音的C80清晰度、语音传播指数等等。
通过仿真研究意大利一座礼堂中的声压级分布
声学仿真专用的仿真软件有ESI公司的VA ONE、前面提到的CATT Acoustic、以及ANSYS声学模块等。但在耳机和音响设计领域，最常见的仿真软件要数Comsol。因为Comsol软件最擅长多物理场耦合仿真，而音响设备的工作过程，就是首先由电磁信号驱动音响的振膜或耳机的动圈发生振动，再产生声音，这一过程会涉及电磁学、结构力学、声学等多个物理场。
那么接下来就让我们进入正题。介绍一下在音响设计中，使用到的仿真技术。
02
扬声器本体的仿真
在Comsol软件的案例库中，就包含了许多关于扬声器、麦克风和音响的仿真分析案例。以扬声器为例，扬声器的主体结构由磁铁、音圈、纸盆等组成。在音圈上施加随时间变化的电压，电磁力会驱动纸盆振动，从而发出声音。
通过Comsol仿真分析，可以评估在不同频率下，音圈上的感应电流、由此产生的磁场，进而获得不同声音频率下，音圈对纸盆的激励情况。
50Hz与900Hz时极片和顶板上的感应电流
扬声器的纸盆受激励发生振动。可以通过特征模态分析，得到扬声器纸盆的特征频率，从而计算出纸盆在不同频率的激励下会如何振动。最终获得扬声器在不同频率下的灵敏度。
扬声器的主要模态与特征频率
扬声器的灵敏度，表示为距离1m处的声压级（dB）。
耳机的设计也是一样。对于动圈耳机来说，电流通过线圈产生磁场，与邻近的磁铁发生相互作用，带动振膜往复运动。和扬声器类似，Comsol仿真也可以分析耳机内部线圈产生的磁场、振膜的模态与特征频率等信息。通过对振膜进行特殊设计，结合仿真技术，可以使耳机振膜在不同频率下的振动响应更加均衡，俗称“高音甜、中音准、低音沉”。
水月雨 终章KADENZ耳机的Comsol仿真结果
（注：成都水月雨是一家成立10年的耳机和音频播放设备公司，他们就经常会在耳机产品的详情介绍中给出使用Comsol软件仿真的结果云图。）
另一款平面磁耳机，通过仿真优化振膜表面的磁场分布
03
扬声器与环境的交互
对于耳机和音响来说，发出动听的声音只是第一步。音响要摆放在房间中，耳机要佩戴在耳朵上。优美的旋律要传递到人耳朵里，还需要研究音响声音在室内的分布，以及耳机的声音与人耳朵之间的耦合作用。
在Comsol博客中，介绍了三星的音频实验室使用仿真技术辅助开发扬声器和其他音频产品的过程。通过声学边界元分析，可以研究不同频率的声音从扬声器的振膜中发出，在室内传播时，声压级在空间中的分布。
通过仿真设计扬声器发出的声音在室内的分布，使坐在沙发上任何位置的观众都能体验高品质的声音
低频声音在空间中分布更均匀，而高频则通常更具有指向性
当然，在任何产品研发流程中，仿真都不能100%替代实验。研发团队开发出音响样机后，会在专用的消声室内测试，还会与竞争对手的产品放在一起，邀请数十位用户对两款音响进行盲测试听对比。
在自由场消声室中测试音箱的声学性能
邀请用户对音响的音质进行对比
在客厅里，光滑的墙面也会反射声波。杜比全景声扬声器就利用了房间的天花板，让观众感觉声音仿佛是从上空发出。在声学边界元仿真中，也可以考虑天花板和墙面对声学效果的影响。
杜比高声道扬声器的示意图
考虑天花板情况下，室内10kHz声音的声压级分布
汽车内部的声学设计与音响类似，但不同之处在于，音响在设计的时候无法决定用户会在什么样的房间里欣赏音乐，而汽车设计师可以。但车内环境显然要比客厅更加复杂，硬质的屏幕、软质的座椅都会不同程度上吸收和反射声音。如今的豪华汽车还会配置十几个不同的扬声器，这又进一步增大了车内声学设计的难度，所以汽车内的车载娱乐系统涉及到的技术难点会更多，相对来说是一个更为高端的工业品领域。
通过仿真优化汽车不同位置的声场
与扬声器不同，佩戴在耳朵上的耳机与耳蜗内部近似形成了一个密闭空间。人耳朵听到的声音，不仅与振膜有关，还可能与耳罩的材质等因素有关。在仿真中考虑耳机、耳罩与人的耳朵的完整模型，可以获得不同频率的声音在耳朵和皮肤上的声压级，以及人耳膜上不同频率声音的声压级，即频率响应曲线。
包含耳机、耳罩和人耳朵皮肤的仿真模型
不同频率下，人耳朵皮肤上的声压级
耳膜处不同频率声音的声压级
04
音质之外的体验
对于耳机来说，它不仅仅是一个听音设备，还是一个消费电子产品。用户佩戴耳机日常通勤，走在路上，或者佩戴耳机骑车，用户关心的不仅仅是耳机的音质，还有许多方面的综合体验。
因此，耳机的设计也要像手机等其他消费电子产品一样，考虑易用性、坚固性，以及人佩戴时的各方面舒适性。
Jabra公司的仿真工程师、达索SIMULIA Champion 林丽老师就曾分享过使用SIMULIA Abaqus和Altair旗下的多款仿真软件优化耳机设计、提升用户体验的故事。
从零开始在耳机公司建立仿真驱动的研发体系
（1）坚固性——跌落测试
例如，用Abaqus仿真耳机的跌落性能。在手机等消费电子行业，以及许多家用电器行业里，使用显式动力学模拟产品的跌落，是相对比较成熟的项目。但对于头戴式耳机来说，笔者曾经听说过好多款音质还算相当不错的耳机，因为结构不够坚固，被网友大规模抱怨的情况。
用显式动力学模拟耳机跌落性能，仿真与高速摄影的实际测试结果对比
无论是头戴式耳机，还是入耳式耳机、耳机盒，还是扬声器，都需要进行跌落仿真
（2）易用性——夹紧测试
用仿真来优化头戴式耳机的夹紧力，从而使佩戴更加舒适：
（3）舒适性——风噪测试
使用Powerflow流体仿真软件，研究入耳式耳机佩戴时的外侧气动噪声，从而降低用户骑行或在户外大风天气佩戴耳机时听到的风噪。
使用Powerflow流体仿真研究耳机风噪
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总 结
耳机和音响一直以来都非常注重品牌效应，所谓的高端耳机，如一些历史悠久的品牌，会刻意强调其音乐血统和过去曾取得的辉煌成就，用历史、情怀、心智等情绪价值作为品牌的核心价值理念，支撑产品的高溢价，成为占领全球市场的重要因素之一。品牌领先者能够有效地稳固品牌在消费者心中的定位，巩固竞争优势。
但随着时代和技术的进步，音响系统的设计本质上是一门工程科学，甚至连音乐制作本身，都是依靠先进的技术设备的支撑。因此，对于行业后发者而言，最好将对豪华品牌的“崇拜”和“光环效应”还原成一一对比的可量化的技术指标，才能严谨对标行业先进，做到真正的赶超。技术是硬实力，品牌是软实力，最优秀的产品一定是综合实力的融合。
对任何技术进行评分的正确方法不是将其与竞争对手进行比较(太容易了)，而是将其与物理极限进行比较。
诚哉斯言。
原创声明：本文仅仅是简单的科普介绍，无任何利益相关，也不构成文内所提产品购买建议。
参考文献：
[1] AKG K701, 萌娘百科, https://mzh.moegirl. org. cn/AKG_K701
[2] 高铁车站的噪声控制与仿真，胡文林，https://www.fangzhenxiu.com/live /1041701155515469824/
[3] Cairoli M. The architectural acoustic design for a multipurpose auditorium: Le Serre hall in the Villa Erba Convention Center [J]. Applied Acoustics, 2020, 173: 107695–107695.
[4] 水月雨COSMO大都会 100mm平面磁式头戴式耳机，https: //moondroplab. com/cn/products/cosmo
[5] 三星采用仿真技术改善扬声器设计，COMSOL博客，https://cn.comsol. com/blogs/samsung-amps-up-loudspeaker-designs-with-simulation
[6] 为家庭影院系统开发超薄杜比全景声扬声器技术，COMSOL博客，https://cn. comsol. com/story/ developing-ultrathin-dolby-atmos-enabled-speaker-technology-for-home-entertainment-systems-97581
[7] 戴在仿真人耳上的耳机，COMSOL案例库，https://cn.comsol.com/model/headphone-on-an-artificial-ear-74271
[8] 从「飞机」到「耳机」| 达索SIMULIA冠军林丽专访，https://www.fangzhenxiu.com/post/6802734/
[9] Altair仿真助力Jabra耳机设计，林丽，Altair用户大会2021
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