前言
在現代高解析音訊（Hi-Res Audio）與複雜的通訊降噪演算法發展下，過去依賴了近四十年的聲學量測標準不可避免地需要與時俱進。為了精準捕捉「人類真實聽到的聲音」，業界迎來了一次革命性的標準升級。以下介紹 HBK (Hottinger Brüel & Kjær) 5128 型高頻頭部與軀幹模擬器（High-frequency Head and Torso Simulator, HF HATS），並從工程與物理的角度，解析這套設備將如何重塑我們的電聲量測流程。
什麼是HATS? HATS的演進是怎麼樣的?
HATS 全名為 Head and Torso Simulator（頭部與軀幹模擬器），是電聲工程中不可或缺的精密量測儀器。
在聲學量測中，人體的頭部、肩膀甚至軀幹，都會對聲波產生繞射、反射與吸收效應，這被稱為「頭部相關傳輸函數」（Head-Related Transfer Function, HRTF）。HATS 就是一台具備國際標準平均成人幾何尺寸的模型，內部整合了精密的「仿真耳（Ear Simulator）」與「仿真嘴（Mouth Simulator）」，能夠在空氣聲學量測中，提供正確的人體周圍聲場模擬。
自 1970 年代早期 Knowles 的 KEMAR，到 1986 年 B&K 推出被業界暱稱為「小綠人」的經典 4128 型 HATS，這些設備一直被廣泛應用於耳機、智慧型手機、助聽器以及各式免持通訊設備的研發與客觀音質評價中。
隨著音訊技術的進步，經典的 4128 型 HATS 與其內建的 IEC 711（即 ITU-T P.57 Type 3.3）仿真耳逐漸暴露出物理極限。過去的 711 仿真耳是為傳統電信設備設計的，其有效頻寬主要定義在 100 Hz 到 10 kHz 之間。然而，現代的智慧型手機、真無線藍牙耳機（TWS）與高階音響，其頻率響應早已涵蓋甚至超越人類聽覺極限的 20 Hz 至 20 kHz。
更致命的是，傳統 711 仿真耳採用的是「簡化的圓柱形直管」來模擬耳道。這種簡化結構在量測高頻時，會產生半波長共振（Half-wave resonance），通常在 8 kHz 至 10 kHz 附近形成一個極大且不自然的高頻峰值。這導致工程師在看測試數據時，常常發現「量測結果與實際聽感不符」的窘境。為了準確評估頻率響應高達 15-20 kHz 甚至以上的設備性能，以及還原人耳的真實聽感，我們需要一台能在人耳全頻段內準確模擬人耳聲學阻抗的新世代 HATS，這正是 5128 誕生的契機。
HBK HATS 5128的研發與技術突破
HATS 5128 的研發歷時 12 年，是一項結合醫學影像與聲學物理的龐大工程。為了在全頻段準確描述人耳特性，研發團隊進行了兩個關鍵階段的研究：
- 幾何模型的建立（MRI 掃描）： 研發團隊招募了 40 多位受試者，利用核磁共振（MRI）搭配造影劑，精準掃描出包含軟骨與軟組織的耳道結構。透過影像配準（Image registration）技術，將這些 3D 幾何模型進行對齊與數學平均，最終得到了「人類平均耳道幾何模型」。
- 平均聲阻抗的量測與修正： 工程師為受試者製作了專屬的耳模，並將特製的阻抗探頭（包含發射與接收麥克風）深入受試者的耳道內進行聲阻抗量測。由於每個人耳道深淺不同，原始數據有著極大的變異。為此，團隊利用傳輸線理論（Transmission line theory），將所有量測數據數學推導並歸一化到距離耳膜 19mm 處的「通用參考平面」上。這樣一來，所有的共振峰值完美對齊，從而計算出極其精確的平均聲阻抗曲線，並以此為基礎透過數值模擬打造出全新的實體耦合腔。
基於上述的嚴謹研究，加上過去HATS 4128使用者的回饋意見，HATS 5128 具備多項顛覆性的技術突破與改變：
- 全頻段精準模擬：能提供 20 Hz 至 20 kHz 完整人類聽覺範圍內的真實聲學負載與頻率響應，徹底解決了高頻量測的失真問題。
- 仿生耳道結構：不同於以往的直管，5128 的耳道完全模擬了真實人類耳道的彎曲幾何形狀，並考量了從柔軟耳廓過渡到鼓膜堅硬骨性結構時的阻尼變化，使得入耳式耳機能夠像在真人耳朵上一樣被正確配戴。
- 全新微型低噪聲麥克風：內建全新設計的 1/4 英吋預極化麥克風與超短前置放大器，頻率響應平坦至 25 kHz，且本底噪聲低至 27.5 dB SPL(A)。
- 升級的高階仿真嘴：內建 Class-D 功率放大器，具備更高的輸出能力（3 kHz 以下可達 110 dB SPL），並透過內建低音共鳴器延伸了低頻與高頻的性能。
- 機構與材質的優化：頭部採用一體成型設計，在耳平面無接縫。耳廓周圍採用了更柔軟的「類皮膚」材料，在測試全罩式耳機時能提供更完美的密封效果。
ITU-T P.57
在國際電信聯盟（ITU-T）於 2021 年最新修訂的 P.57 建議書中，正式新增了 Type 4.3 耳模擬器 的標準，而 HATS 5128 正是符合此標準的代表性設備。
- Type 3.3 與 Type 4.3 的差異：傳統的 Type 3.3 耳模擬器（即 IEC 711），其外耳底部是由一個近似平面連接到圓柱形耳道；而 5128 所屬的 Type 4.3，則是連續平滑地過渡到類似真人形狀的彎曲耳道。Type 3.3 目前僅推薦用於窄帶量測（100 Hz – 4 kHz, 校正表到 8 kHz），而 Type 4.3 則被官方強烈推薦用於所有設備的超寬頻帶與全頻帶（20 Hz – 20 kHz）量測。
- Type 4.3 與 Type 4.4 競品的比較：市面上如 HEAD acoustics HMS II.3 LN HEC 等設備標榜符合 Type 4.4。但從工程規格來看，Type 4.3（5128）是「完全」模擬真人耳道形狀至耳膜；而 Type 4.4 僅從耳道入口到參考平面模擬真人，後段至耳膜仍使用圓柱形腔體近似。因此，Type 4.3 的聲學容差更小、精確度更高，是 P.57 標準中的首選，而 Type 4.4 僅作為無法適用深耳道設備時的替代方案。
Head-Fi.org的驗證與評價
全球最大的高階耳機社群論壇 Head-Fi.org 創辦人 Jude Mansilla，在其聲學實驗室中對 5128 進行了深度的驗證。他指出，在過去使用 711 模擬器量測如 Westone W60 這種多單體入耳式耳機時，會看到極不自然的 8-10 kHz 高頻峰值，且低頻量感與實際聽感嚴重脫節。
透過 HATS 5128 重新驗證後，一切迎刃而解：
- 高頻的真實還原：5128 消除了 711 圓柱管帶來的虛假共振，呈現了人類真實感知到的平滑高頻響應，這對工程師進行耳機高頻調音（Treble tuning）是極大的突破。
- 低頻的物理修正：711 的等效容積約為 1.26 cm³，而 5128（平均成人）約為 1.55 cm³。當耳機塞入耳道時，711 較小的殘餘容積會產生反比的高聲壓，導致量測出的低頻被「人工放大」。5128 提供了正確的容積，還原了真實的低頻表現。
Jude Mansilla 給予了極高的評價：「5128 提供了一個完整的整合系統，它就是聽覺模擬上的『平均人類』。無論你量測什麼設備，你得到的都是更強的真實感、準確性與一致性。」
結語
在聲學產業裡，我們見證了從功能性測試到追求極致音質的時代變遷。HBK HATS 5128 不僅僅是一台升級版的假人頭，它是基於現代醫學影像與聲學物理重新定義的「全新人類聽覺基準」。
如果產品涉及 Hi-Res 高解析音訊、ANC 主動降噪演算法，或是需要深入耳道的高階入耳式設備，導入 HATS 5128 可以確保研發數據直接對齊使用者的真實體驗，大幅提升產品開發的精準度與市場競爭力。