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[Translate to 中文:] Four ears with different in-ear headsets

ANC 耳机测试

在打电话或使用多媒体应用程序时，使用耳机已成为人们的普遍习惯。随着居家办公的普及，这一趋势会更加明显。而我们使用的音频或视频应用程序，如MS Teams、GoTo Meeting和Zoom，在高品质耳机下能够达到优异的使用效果。特别是在移动场景中，自适应噪声消除（ANC）是必不可少的功能。耳机制造商使用多个应用商家提供的各种ANC认证方案来认证其产品，而实施新技术需要更先进的技术和优化策略，首先便是选择合适的人工耳。其目的是为了在实验室中尽可能精准地模拟人耳，并提供真实的测试环境，来应对各种通信条件和典型的人类活动。

选择正确的人工耳

真实和可重复性测量的需求是相互冲突的：耳朵模拟器越简单，结果越容易再现。然而，真实测量却需要对耳道、耳阻抗以及复杂结构和几何形状的机械特性进行逼真和复杂的模拟。测量降噪耳机还需要本底噪声极低的测量设备（特别是人工阻抗模拟器麦克风）。

ITU-T在其最新修订的建议书P.57中解决了这些问题，定义了两种新型人工耳，分别是4.4型和4.3型，它们能比以前更精确地模拟人耳的外耳廓和耳道入口。该建议书还描述了低噪声耳模拟器的要求，本底噪声水平需低于扩散场听力阈值。

配备4.4型人工耳的 HMS II.3 LN- HEC 人工头满足了这两个要求。

全仿生的耳廓模拟器与耳机自然贴合，特别是对于入耳式耳机，因为入耳式耳机的形状和耳道的方向最接近。具有90度耳道定向的人工耳，往往只能通过弯曲人工耳的橡胶耳道来定位，会导致贴合不自然。

[Translate to 中文:] collage of HMS II.3 artificial heads with different types of ears

右侧是配备了4.4型人工耳的HMS II.3 LN-HEC，比左侧配备3.3型人工耳的HMS II.3型人工头更合适测量入耳式耳机

- Head Acoustics GmbH

相对于人类听力阈值（灰色），配备了4.4型人工耳的 HMS II.3 LN HEC （绿色）的本底噪声比传统的配备了ITU-T 3.3/3.4型人工耳的 HMS II.3更低（蓝色）

佩戴一致性要求很关键

左耳和右耳之间必须实现几乎对称一致的衰减，以确定正确的佩戴定位。对耳机施加过大的压力不会反映出与人耳的自然耦合。我们用任何耳机重复任何测试至少五次。如果定位不当，测量结果将是不精确和离散的，特别是在高频下。

主动降噪性能

插入损耗“噪声阻尼”是确定ANC性能时的一项重要测量。插入损耗有三种类型：被动损耗是指耳机在ANC关闭时提供的噪声阻尼；总损耗是耳机的被动阻尼加上ANC打开时的噪声阻尼；主动损耗是两者之间的差异，因为它确切地说明了ANC对外部声音的衰减程度。

对于此类测量，必须在实验室环境中模拟真实的背景噪声，但这还不够。ANC系统自适应地做出反应，并以一定的延迟来抵消背景噪声。如果我们想测量适配状态下的衰减，就要在测试前用测量中使用的背景噪声来调节耳机。

[Translate to 中文:] ANC headset test system set-up with ACQUA, labCORE, HMS II.3 LN HEC, 3PASSlab and labBGN devices, HMS II.5

 

上图清晰地描述了ANC耳机测试系统的设置。分析系统由ACQUA分析软件、labCORE前端和HMS II.3 LN HEC人工头以及使用3PASSlab和labBGN设备的背景噪声模拟组成。HMS II.5人工头则用于在通透模式下测试模拟有干扰讲话者的情况下的通话质量。

进行此类测试时的一些典型测量结果如下图所示，显示了总插入损耗、主动插入损耗和被动插入损耗。在200Hz（图1）下，该入耳式耳机的被动插入损耗很微弱，但通过启用该耳机的ANC功能，可以在30Hz至1kHz的频率范围内明显改善（图2）。然而，启用ANC可能会降低较高频率下的性能，（图3中的有源插入损耗在3和10 kHz之间。）

- Head Acoustics GmbH

(1)

- Head Acoustics GmbH

(2)

- Head Acoustics GmbH

(3)

用扩散场粉噪测试入耳式耳机，左右耳的被动、主动和总插入损耗

如果耳机的剩余噪声非常低，则人工耳的空闲噪声可能会影响测量结果。耳机的自噪声越低，人工耳的空闲噪声对测量的影响就越大。人工耳的空闲噪声可能主导测量的空闲噪声。因此，所有类型的ANC头戴式耳机测量都应使用符合当前ITU-T建议书P.57中定义的低噪声要求，且符合ITU-T 4.3型和4.4型人工耳规定的阻抗要求的人工耳。

通透模式性能

许多耳机提供“通透模式”，以更好地听到环境声或者谈话者声音，例如，广播播报或者与其他人对话，因此我们还需要评估这种模式的性能如何。您可以在ANC耳机测试系统示意图中看到一个典型的测试设置：一个人工头在嘈杂的环境中模拟说话者。但是，我们如何评估设备通过ANC衰减不需要的噪声并让谈话者的声音通过通透模式的效果如何？此时我们就会使用基于感知的测量来确定佩戴耳机时倾听说话者说话所需的努力。

下表显示了ANC打开、ANC关闭和通透模式打开时的示例。

  • 当ANC“开启”时，倾听需要的努力度很大。ANC会衰减外部噪音，包括谈话者的语音。外部噪音的响度降低量为20 phon。
  • 当ANC“关闭”时，倾听需要的努力度大大降低，但外部噪音的响度降低量也会缩减，为15.7 phon。
  • 在“通透模式”下，倾听需要的努力度相对较低。我们得到了的平均意见得分为（MOS）3.0，这意味着用户更容易倾听到外部谈话者的声音。然而，在这种情况下，外部噪声的响度降低量仅为1.7 phon。

 

ANC on

ANC off

Transparency Mode

 

MOS-LE (ETSI TS 103 558 / ABLE)

1,9

2,4

3

MOS

Loudness Reduction

(ISO 532-1, Zwicker method)

20,1

15,7

1,7

phon

 

我们测试了使用ABLE在不同模式下入耳式耳机的聆听努力度，并使用了飞机的噪声源测量响度的降低量。

因此，多数耳机制造商让用户自行选择适合的耳机工作模式。这种多模式的组合测量为耳机制造商提供了重要的信息，以便他们调试不同模式下的通话功能。

音频播放性能

音质对于音频播放和语音通信也是至关重要的。我们能够在物理上正确地测量声音质量：使用人工耳并对平均人耳阻抗进行精确模拟，小心地将耳机放置在人工头上。要实现感知正确的测量，我们必须在接收方向选择适当的人工头进行双耳均衡。较常用的均衡是扩散场均衡，经过均衡后，大多频率特性应是相对平缓的——当然，在一定范围内，制造商的调音喜好会导致其不同。下图显示了某款入耳式耳机在所有可听频率下测量到的频率响应特性，是一个典型示例：

- Head Acoustics GmbH

某款入耳式耳机的响应特性

我们可以看出，左耳和右耳的特征非常吻合，高频衰减，10kHz处下降。然而，我们无法根据这一单一测量结果对语音或音频音质做出最终判断。这就是为什么我们推荐使用基于感知（基于实际人类评估）的主观拟合算法MDAQS（多维音频质量评分）进行音频质量评估。

入耳式耳机

音色

失真

沉浸感

整体质量

H 1

2.5

2.9

2.6

2.3

H 2

4.7

3.4

4.3

4.4

H 3

4.4

3.4

3.4

4.1

H 4

4.7

3.3

3.9

4.3

 

我们使用MDAQS方法测量了不同的入耳式耳机的音频质量（以MOS为单位），结果显示H2的整体效果较好 

通话语音质量

要评估一款产品能否在噪声环境下提供感知良好的语音质量，3QUEST是较推荐的测量方法，可以分别测量语音质量、噪声性能和整体质量。使用的人工头同样也需经过扩散场均衡滤波，且配备了能正确复制人耳阻抗的低噪声耳模拟器，这是该测量方法的技术基础。下表是某款入耳式耳机在各种不同背景噪声中的示例测试结果：

 

Road

Cafe

Train

S-MOS（语音质量）

3,4

3,4

3,7

N-MOS（降噪特性）

3,2

3,2

4,6

G-MOS（整体质量）

2,8

2,8

3,6

 

我们使用3QUEST在入耳式耳机采用不同的噪音测量了语音质量（S-MOS），降噪特性（N-MOS）和整体质量（G-MOS）

测试结果显示，该款耳机在火车噪音下的语音质量优异，而在道路噪音和咖啡厅噪音下的降噪效果不佳，但在所有背景噪音下的语音质量都相对较高。

可以验证真实使用体验的测试才是有意义的

HEAD acoustics能够实现ANC耳机的所有真实用例的测量。测试ANC耳机需要一个配备了逼真人工耳的人工头，低自噪声麦克风，以及正确的均衡。此外，需要设置真实的背景噪声模拟和适当的背景噪声。这些措施可以与第二个HATS相结合，模拟外部讲话者。高精度、一致性的特点使我们的解决方案与众不同，且测试数据真实可靠！

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