一、前言
在現代電聲量測與聲品質（Sound Quality）分析領域中，為了能精準捕捉「人類真實聽到的聲音」，我們需要一套高度標準化且符合人體聲學物理的量測系統。以下以聲學工程師的視角，為各位帶來一篇關於 頭部與軀幹模擬器（Head and Torso Simulator, 簡稱 HATS） 的深度技術長文。
本篇文章將從基礎定義出發，全面梳理其歷史演進、國際電信聯盟（ITU-T）的嚴格技術要求、實際應用場景，並詳細解析目前業界公認的三大頂級品牌（HBK、HEAD acoustics、GRAS）的代表性 HATS 系統。
二、什麼是HATS
頭部與軀幹模擬器（Head and Torso Simulator, HATS），在業界常被暱稱為「假人頭（Dummy Head）」，是一種專為精確還原人類聽覺感知而設計的雙耳錄音與量測陣列（Binaural Recording Array）。
從聲學物理的角度來看，當聲波傳遞至人類耳朵時，會受到人體的軀幹（Torso）、頭部（Head）、耳廓（Pinna）以及耳道（Ear Canal）的繞射、反射與共振影響。這些聲學現象構成了所謂的「頭部遮蔽效應（Head Shadowing Effects）」與「雙耳時間差（Inter-aural Time Delays）」，也就是著名的 頭部相關傳輸函數（Head-Related Transfer Function, HRTF）。
HATS 的核心價值，就在於它在幾何尺寸與形狀上，刻意精準模擬了中等體型成人的頭部與軀幹，並在相當於人類耳膜（Eardrum）的位置配置了高精度的量測麥克風。此外，現代的 HATS 還內建了精密的「仿真耳（Artificial Ears）」與「仿真嘴（Artificial Mouth）」，使其能夠在空氣聲學量測中，提供正確的人體周圍聲場模擬，捕捉如同真實人類所感知到的聲音細節。
三、HATS的歷史演進
HATS 的發展與人類對「雙耳聽覺（Binaural Hearing）」及「空間聲學（Spatial Acoustics）」的探索息息相關。這段歷史可以追溯到一百多年前，並經歷了幾個關鍵的技術爆發期。
1. 早期理論與雙耳概念的萌芽 (1880s – 1930s)
關於雙耳聽覺的早期研究，最早可追溯至 1792 年的 Wells 與 1796 年的 Venturi，而在 19 世紀，包含 Rayleigh 爵士在內的聲學家已確認雙耳對於聲源定位（Sound Source Localization）的重要性。1881 年在巴黎歌劇院，Clement Ader 透過將麥克風放置於舞台兩側並傳輸至聽眾雙耳，實現了早期的雙耳傳輸概念。 到了 1920 年代，貝爾實驗室（Bell Laboratories）的 Harvey Fletcher 與 Sivian 於 1927 年申請了「雙耳電話系統（Binaural Telephone System）」的專利。同年，W. Bartlett Jones 申請了第一個利用球體模擬人類頭部，並在兩側放置麥克風以捕捉雙耳訊號的「假人頭」專利。1939 年，飛利浦（Philips）的 de Boer 與 Vermeulen 展示了首個具備人類頭部幾何形狀的假人頭，這標誌著 HATS 發展進入了新的階段。
2. 黃金發展期與 KEMAR 的誕生 (1960s – 1970s)
1960 到 1970 年代被視為雙耳技術的「黃金時代」，聲學家開始大量研究耳廓對聲音的影響。其中最具里程碑意義的事件，是 1972 年由 Knowles 公司的 Burkhard 與 Sachs 所開發的 KEMAR (Knowles Electronics Manikin for Acoustic Research)。KEMAR 是業界首款基於大規模人體測量數據（Anthropometric data，包含美國空軍人員的統計數據）所設計的標準化假人頭。它具備標準的仿真耳，解決了過去助聽器在原位（In-situ）測試時缺乏人體繞射效應的問題。 同時期，德國柏林海因里希·赫茲研究所（Heinrich-Hertz Institute）的 Kürer 等人開發了具備彈性耳廓與耳道模擬的假人頭，這促成了著名麥克風製造商 Neumann 於 1973 年推出經典的 KU80 假人頭。Sennheiser 也在 1974 年推出了首款雙耳麥克風耳機 MKE-2002。
3. 工業應用的普及與標準化 (1980s 至今)
進入 1980 年代，汽車工業與消費性電子對於客觀聲學測試的需求激增。為了解決與傳統單麥克風量測數據相容的問題，Neumann 於 1981 年推出了具備擴散音場等化（Diffuse-field Equalization）的 KU81 假人頭。 同期，亞琛工業大學（Aachen University）的 Klaus Genuit 等人開發了 IENT 81 系統，這套系統具備了獨立於方向的等化器（Independent-of-direction Equalization），隨後演變為 HEAD acoustics 著名的 HMS I (Head Measurement System) 系統。 1986 年，Brüel & Kjær（B&K）推出了市場上極為成功、被業界暱稱為「小綠人」的 Type 4128 HATS。它簡化了人體幾何學（Geometric Simplification），並搭載了符合 IEC 711 標準的仿真耳，首次將聲學阻抗的精確匹配頻寬推升至 8 kHz。 近年來，為了應對高解析音訊（Hi-Res Audio），現代 HATS 已將研究焦點轉向包含解剖學結構的複雜耳道模擬（Anatomically Shaped Ear Canal），以達成全頻帶（Fullband, 20Hz-20kHz）的精準模擬。
四、HATS的技術要求 – ITU-T P.57 & P.58 Reccommendation
為確保全球實驗室與產線量測數據的絕對一致性與可追溯性，現代 HATS 必須嚴格遵循國際電信聯盟（ITU-T）所制定的規範。其中最核心的兩份建議書為 ITU-T P.58 與 ITU-T P.57。
1. ITU-T P.58：電話測量學用頭部與軀幹模擬器 (HATS for telephonometry)
這份建議書詳細定義了 HATS 的物理尺寸（Physical dimensions）與電聲特性（Electroacoustic characteristics）。
- 物理尺寸要求： 規範中嚴格規定了軀幹與頭部的各項數值範圍。例如：頭部寬度需在 147~154 mm 之間，頭部長度為 190~205 mm，兩耳道入口點（EEP to EEP distance）的距離需在 130~133 mm 之間。此外，包含垂直面（Vertical Plane）、參考面（Reference Plane）與橫截面（Transverse Plane）的輪廓，皆需與規範中的幾何模板完全吻合。
- 聲音接收特性 (Sound Pick-up)： HATS 必須定義其自由音場頻率響應（Free-field Frequency Response）與擴散音場頻率響應（Diffuse-field Frequency Response）。以自由音場為例，在 0° 入射角下，低頻段（100Hz~1kHz）的容差（Tolerance）通常在 ±1.5 dB 內；而在高頻段（例如 8kHz），由於繞射極為複雜，容差會放寬至 +9.0 / -5.0 dB。此外，必須具備極佳的聲學密封性，當耳道封閉時，聲學洩漏（Sound Leakage）量測值必須比開放時低至少 35 dB。
- 聲音產生特性 (Sound Generation / Artificial Mouth)： 仿真嘴需能在近場（Near Field）與遠場（Far Field）精準重現人類發聲時的聲壓分佈。在嘴部參考點（Mouth Reference Point, MRP，距唇平面 25 mm 處），仿真嘴必須能穩定輸出高達 +6 dBPa (約 100 dB SPL) 的聲壓級。在 0 dBPa 輸出時，100 Hz 的二次與三次諧波失真（Harmonic distortion）不得超過 14%，而在 300 Hz 至 10 kHz 區間，失真必須嚴格控制在 1% 以下。
2. ITU-T P.57：仿真耳 (Artificial ears)
這份建議書涵蓋了各種換能器（Transducers）測試所需的聲學負載網絡（Acoustic Load Networks），並將仿真耳分為多個世代與類型：
- Type 1 (傳統電話頻帶)： 適用於傳統電話聽筒，無法量測低聲阻抗設備。
- Type 2 (IEC 60318-4)： 即大家熟知的 711 耦合腔（Coupler），透過圓柱形耳道模擬，適用於插入式耳機（Insert earphones）的量測。
- Type 3.3 (耳廓模擬器 / Pinna Simulator)： 這是目前產線與研發最廣泛使用的標準。它在 Type 2 耦合腔的基礎上，加入了平均成人幾何形狀的耳廓模擬器。規範嚴格要求耳廓必須使用高品質彈性體（Elastomer）製造，其硬度必須控制在 35 ± 6° Shore-OO。
- Type 3.4 (簡化耳廓)： 提供幾何形狀簡化版本的耳廓模擬。
- Type 4.3 與 Type 4.4 (解剖學形狀耳道 / Anatomically shaped ear canal)： 這是因應超寬頻帶（Super-wideband）與全頻帶測試而生的最新標準。傳統 711 耦合腔的直管耳道在 8 kHz 以上會產生不自然的半波長共振。Type 4 系列導入了真正人類耳道的彎曲結構與截面積變化（Cross-sectional areas），Type 4.3 採用 35 Shore-OO 彈性體，而 Type 4.4 更進一步支援骨傳導（Bone conduction）或更複雜的解剖學特徵模擬。
五、HATS的應用場景
在現代工程中，只要產品的聲音表現與「人類頭部的佩戴狀態」相關，HATS 就是不可或缺的測試平台。其主要應用場景包含：
1. 電信與消費性電子產品 (Telecommunications and Consumer Electronics)
這是 HATS 最龐大的應用市場。智慧型手機（Smartphones）、頭戴式耳機（Headsets）、真無線藍牙耳機（TWS）、智慧音箱（Smart Speakers）以及車用免持通訊設備（Hands-free Devices），皆需要使用 HATS 進行發送與接收方向的音頻性能測試。例如：量測耳機的主動降噪（ANC）效能、麥克風陣列的波束成形（Beamforming）與通話降噪演算法的語音品質評估。
2. 聽力學與助聽防護設備 (Audiology and Hearing Protectors)
HATS 能精確評估助聽器（Hearing Aids）的真實插入增益（Insertion Gain）。此外，在工業與軍事領域，依據 ISO 4869-1 等標準，HATS 被廣泛用於測量被動式耳塞（Earplugs）或飛行員頭盔（Flying Helmets）的聲學衰減（Sound Attenuation）與聽力保護效能。
3. 車艙噪音與心理聲學分析 (Cabin Noise and Psychoacoustics)
在 NVH（噪音、振動與聲振粗糙度）工程中，工程師會將 HATS 放置於汽車駕駛座上，在行駛狀態下錄製車艙內的背景噪音。錄製下的雙耳訊號能真實反映駕駛者的聽感，隨後透過心理聲學（Psychoacoustics）演算法，分析其響度（Loudness）、粗糙度（Roughness）與尖銳度（Sharpness），以優化車輛的聲品質（Sound Quality）。
4. 3D 空間音效與虛擬實境 (Spatial Audio and VR)
為了在耳機中重現身歷其境的三維音場，必須透過 HATS 擷取各個角度的頭部相關傳輸函數（HRTF）。這些數據是建構虛擬實境（VR）遊戲音效與高階家庭劇院空間音訊（Spatial Audio）演算法的底層基石。
六、御三家HBK、HEAD Acoustics、GRAS的HATS介紹
在當前的精密電聲量測儀器市場中，有三家歐洲廠商生產的HATS技術指標最為頂尖，它們的產品在設計哲學與強項上各有千秋。
1. HBK (Hottinger Brüel & Kjær) – Type 5128 家族
B&K 在 1986 年推出的 Type 4128 是業界銷量最高、最著名的經典款（即「小綠人」）。然而，面對現代音訊設備動輒 20 kHz 的頻寬需求，傳統的 IEC 711 直管耳道已不敷使用。 為此，HBK 歷經十餘年研發，推出了全新世代的 高頻頭部與軀幹模擬器 (High-frequency HATS) Type 5128 家族。
- 技術亮點： 5128 的核心突破在於其全新的耳模擬器。HBK 透過核磁共振（MRI）掃描了大量受試者，重建了人類平均耳道的精確彎曲幾何結構。這使得 5128 能在 20 Hz 至 20 kHz 的全可聽頻段（Full Audible Frequency Range）內，提供完全真實的人耳聲學阻抗。
- 產品配置： 該家族包含專門用於耳機測試的桌上型 Type 5128-B (無軀幹)，標準的 Type 5128-C，以及配備了精密手機定位夾具（Handset Positioner Type 4606）的 Type 5128-D，後者能精確控制施加於耳廓上的壓力（0-18 N），是電信終端測試的頂級配置。
2. HEAD acoustics – HMS II.3
德國 HEAD acoustics 是通訊語音品質與聲品質分析的權威。其 HMS (Head Measurement System) 系統自 1980 年代發展至今，已成為許多國際電信商的指定測試標準。
- 技術亮點： HMS II.3 是一款高度模組化的 HATS。它完全符合 ITU-T P.58 的幾何與聲學特性。其內建的二音路（Two-way）仿真嘴具備極低的失真與超寬廣的頻率響應，能完美對應超寬頻帶（Super-Wideband）與全頻帶語音的量測需求。
- 系統整合度極高： HMS II.3 最大的優勢在於其能與 HEAD acoustics 的 labCORE 硬體平台及 ACQUA 聲學分析軟體進行無縫整合。系統支援 TEDS 技術，可自動讀取麥克風校正資料。此外，它提供多種選配，包含用於車艙免持測試的低底噪版本（HMS II.3 LN）、支援人耳解剖學耳道的版本（LN HEC），甚至可加裝人工鼻（AN HMS）來測試 AR/VR 眼鏡等穿戴設備。
3. GRAS Sound & Vibration – 45BC-10 KEMAR
丹麥 GRAS 繼承了 1972 年原版 KEMAR 的優良血統，將其發展為現代化的高精度測試儀器 45BC-10 KEMAR。
- 技術亮點： 45BC-10 保留了 KEMAR 基於人體測量學（Anthropometric）的平均頭部與軀幹尺寸。它標配了符合 ITU-T P.57 Type 3.3 的人體測量學耳廓（Anthropometric Pinnae）與 IEC 60318-4 的預極化耳模擬器。
- 材料與設計優化： GRAS 特別針對耳廓材料進行了改良，採用 35 Shore OO 硬度的柔軟矽膠，改善了耳廓的折疊性（Collapsibility）與耳道的銜接幾何形狀。這使得在測試頭戴式耳機與耳塞式耳機時，能獲得更真實的密合度與繞射效果。此外，45BC-10 內建了仿真嘴專用的功率放大器，大幅簡化了耳機麥克風測試時的佈線複雜度。
七、結語
從 1970 年代早期的 KEMAR 發展至今，頭部與軀幹模擬器（HATS）已經從基礎的聽力學研究工具，演變為驅動現代消費性電子與通訊產業創新的核心基礎設施。
隨著高解析音訊（Hi-Res Audio）、先進主動降噪（ANC）以及空間音訊（Spatial Audio）技術的爆發，電聲量測的標準已經跨越了傳統 8 kHz 的電話頻寬限制，正式邁入 20 kHz 的全頻帶時代。身為聲學工程師，深入理解 ITU-T P.57 與 P.58 的法規要求，並針對產品特性正確選用如 HBK 5128、HEAD acoustics HMS II.3 或 GRAS 45BC-10 等高階量測設備，是確保我們的客觀量測數據能與人類主觀聽覺體驗完美對齊的不二法門。這不僅能大幅縮短產品的研發週期，更是為終端消費者帶來極致聲音體驗的最佳保證。
資料來源
https://www.grasacoustics.com/products/product/742-45bc-10
https://www.head-acoustics.com/products/artificial-head-binaural-recording/hms-ii3
ITU-T P.58 : Head and torso simulator for telephonometry