電聲元件陣列式應用當道　法規/標準雷池不容跨越

尤其之前的單聲道設計近似於點聲源，不能表現出聲音的深度與寬度，亦即音響術語中的空間感，而且播放音樂前還必須先經過混音器(Mixer)，把原本立體聲音樂轉換為單聲道的音樂以方便播放。但是混音後的音樂通常必須付出音質變差、雜音變多等代價。這使得早期可攜式裝置的音訊效果僅算是聊備一格。  

音質成產品競爭重點　導入陣列式喇叭風潮興  

陣列式喇叭(Line Array Speaker)或多聲道喇叭的技術，可以輕鬆解決上面所敘述的問題，其原理是藉由多顆喇叭以直線方式或者對稱方式排列，將聲音的能量傳送出去，因此人們所聽到的聲音就不再是一個點，而成了一個面，能明確的感受到聲音的深度與寬度。例如在欣賞交響樂時，使用者可以聽出樂隊在演出時，弦樂是在左邊，管樂是在右邊，鋼琴是在中間等。其另一個優點則是可以在不增加音壓的前提下將聲音傳達得更遠。後者是近來爆紅的中國大陸山寨手機之所以熱愛採用陣列式喇叭設計的主要原因之一。  

事實上，不管是手機或筆記型電腦，皆已大量導入陣列式喇叭架構。中國大陸所設計的山寨手機(圖1)，就已經使用了多聲道技術，在手機裡放入八顆喇叭都不是問題；諾基亞(Nokia)所推出的N系列以及XpressMusic系列手機，也是搭載立體聲雙喇叭，使得消費者可以隨時能享受立體環繞音效，讓手機瞬間變身迷你音響。筆電大廠如宏碁與聯想，就推出許多配備杜比環繞音效(Dolby Surround)，使消費者不必再忍受一般筆記型電腦陽春的喇叭、以及瀕臨破音的音質，可以有劇院級享受；東芝(Toshiba)則是與世界級音響大廠Harman/Kardon合作開發筆記型電腦專用喇叭(圖2)，使筆記型電腦內建的喇叭能有強力的低音域輸出及纖細的高音域表現，超越一般電腦產品的豐富音質。也由於這些標榜重低音、環繞音效、劇院級功能、高音質表現的產品推出，造成近年來消費者選擇這些可攜式裝置如手機、筆記型電腦時，除了價錢、外型及操作方式等考量外，對於聲音品質的要求亦更加嚴苛，若只能做多媒體影音播放，而不注重音質的產品，在市場上已經沒有任何競爭力。

圖1　中國大陸所設計研發的山寨手機

資料來源：東芝 圖2　東芝與Harman/Kardon合作開發筆記型電腦專用喇叭

這個趨勢也造成手機等可攜式裝置製造商開始對電聲元件越來越重視。另外隨著音樂手機的普及，將會帶動另一個產品--耳機的發展，耳機的音質能比手機喇叭更為細膩，而且在享受音樂的同時，不用擔心干擾到其他人，能使用的場合更多元，這也將會是下一步廠商共用努力的目標。  

音訊辨識漸成氣候　多重麥克風出頭天  

除了喇叭採用陣列式架構已成風潮外，在手持式/可攜式裝置的音訊輸入端部分，也早已悄悄掀起陣列式浪潮。最早導入陣列式麥克風的手持式裝置為數位攝影機，這類裝置之所以率先採用陣列式麥克風架構，原因在於為支援錄製5.1杜比聲道環繞音效(圖3)及變焦麥克風功能。事實上，5.1聲道是數位攝影機必須配備五顆麥克風來錄製聲音的主要原因，後來數位攝影機製造商更發揮巧思，把錄製中央聲道的麥克風與鏡頭的焦距連接在一起。當鏡頭變焦，拍攝主體特寫畫面時，聲音也將隨之聚集在他們身上，錄製清晰又個人化的聲音。

圖3　5.1杜比聲道環繞音效錄音技術

手機與筆記型電腦導入陣列式麥克風的原因，則與全球資訊網路的普及與3.5G技術的發展息息相關。3.5G無線上網允許使用者隨時隨地都可輕鬆上網，利用網路電話來做通訊，但是也因為任何地方都可以上網辦公，所以麥克風陣列(Array Microphone)的降噪功能開始被慢慢重視，加上Windows Vista作業系統支援麥克風陣列的音訊輸入及輸出功能，音訊輸入的重要性，也漸漸從之前常常被忽視的需求，轉變成越來越重要的功能。  

麥克風是將聲音訊號轉換為電子訊號的能量轉換器。以往單一麥克風設計的缺點在於容易收到四周環境的噪音，如果使用者在一些喧鬧環境，如大型公共場所、馬路上、捷運站等環境，通話另一方往往不易聽清楚談話的內容，或者只能聽到大量的環境噪音。而陣列式麥克風的導入，主要目的在於降低背景噪聲，其原理為利用多顆麥克風進行收音動作，每一個麥克風單體各負責一個方位的收音，再利用由麥克風收音孔之間的距離，以及音源訊號抵達收音孔的時間差，搭配數位訊號處理、噪音抑制或是聲學回聲消除(Acoustic Echo Cancellation)等演算法運算(圖4)，就可以獲得更清晰的語音效果，同時也能去除過往單一收音所造成的雜訊、雜音或風切聲等問題，藉由此功能來提升通訊品質，使消費者能獲得更清晰的網路電話、視訊會議通話、語音辨識效果。

圖4　多重麥克風之應用

另一個導入陣列式麥克風的誘因，則是為了滿足娛樂用的錄音功能需求，除了前述數位攝影機之外，目前數位相機、照相手機等常見攝影器材，都已經朝向錄製立體聲影像的趨勢發展，因此廠商對於導入陣列式麥克風的態度，已轉趨積極。  

陣列式設計大行其道　耳機設計限制不容忽略  

雖然陣列式麥克風與陣列式喇叭對於可攜式裝置的聲音錄放品質能帶來立竿見影的改善效果，但由於陣列式喇叭的流行，使得可攜式裝置普遍變成「大聲公」的結果，除了容易讓消費者對大音量的感覺變得遲鈍，進而追求更大的音量輸出外，往往也很容易讓設計人員忽略了可攜式裝置的耳機輸出仍有嚴格法令 限制。  

為了使用者的身體健康與安全起見，許多先進地區對可攜式裝置的耳機輸出音壓強度限制並未放寬。如已在歐盟範圍內正式實施，並列為強制性標準的EN 50332，便要求包括所有耳機或任何有耳機插孔的可攜式音響設備如行動電話、MP3隨身聽、CD播放機，以及可攜式收音機、卡帶隨身聽、筆記型電腦或可攜式電視機等設備的最大耳機聲音壓力測量數值不可大於100dB。  

EN50332可以分為兩部分，其中EN50332-1規範可攜式音響設備耳機輸出的最大音壓不可超過100dBSPL；EN50332-2 則規範播放器的最大輸出電壓須要小於或等於150毫伏特(表1)，耳機的寬頻特性電壓須要大於75毫伏特。因此相關的終端產品製造商必須針對此問題加以重視。以下為EN50332量測方法簡介，系統製造商可以依據此方法對其產品的EN50332-1/2加以最 佳化。

表1　EN50332 測試案例

在進行量測時，待測產品須於無響室內或低背景噪音環境執行測試，避免環境雜音干擾，耳機須裝置於B&K HATS以量測聲壓位準，如圖5所示，來電鈴聲或MP3經由耳機播放的案例，測試結果如表2。

圖5　實驗架設

在音源部分，音響產品在量測時主要是以Pink Noise加上濾波器作為模擬音源，其訊號強度數位訊號(CD, DVD, MP3)為-10dB，類比訊號為-6dB。至於手機上常見的調頻廣播(FM)接收功能，也是必須量測的項目。  

為量測此一功能，測試系統須利用天線發射載波訊號(-6dB)讓待測手機接收。一般手機常用耳機當天線，音響的音量調整鈕調到最大音量，雜訊消除則必須關閉。如圖6所示，其測試訊號為Pink Noise，測試案例如表2。

圖6　FM測試架構

在EN50332-2的測試中，播放器的測試是直接量測耳機輸出端的電壓，而輸入的訊號為標準的Pink Noise加濾波器，耳機輸出端要加上32歐姆負載。於EN50332-2的測試中，耳機的測試是直接量從端子輸入訊號，然後在人工耳內量測其最大的音壓值為94dB時的輸入訊號位準，如圖7所示。

圖7　EN50332-2 規範的電器特性

EN 50332測試標準原本只規範可攜帶式音響設備的產品，但德國主管機關ZLS(EK1-AG1標準)要求與耳機相關產品申請德國GS Mark認證時，都必須符合EN 50332的測試要求。此外，其他可能有音源輸出的產品都必須接受評估，包含筆記型電腦、桌上型電腦、螢幕、DVD播放機、伺服器、立體聲設備、電視機等。  

除德國外，2005年11月8日法國亦針對沒有任何喇叭，僅以耳機作為收聽音源的可攜式音響設備，通過L.5232-1強制性法案，並已於2006年5月1日生效實施。該法案除要求上述可攜式音響設備必須符合耳機音壓的測試要求外，還明確規範使用者手冊和其他安全操作指南必須包含警告標語。此警告標語強調使用未經建議及認可的耳機，可能因音壓過大而導致聽力損傷。此要求的出發點是因為保護現代人常常在不知不覺中，長時間的配帶使用耳機時避免聽力損傷。  

標準/法令緊箍咒如影隨形  

為了追求更好的音訊收發功能，陣列式喇叭或陣列式麥克風設計已經成為大勢所趨。然而，除了上述耳機輸出相關規範外，由於音訊功能成為市場競爭焦點的緣故，為了讓手機製造商與消費者能將抽象的音質概念化為明確的量化指標，以做為廠商設計系統與消費者的採購時的參考。  

在國際電信聯盟(ITU)的主導下，針對音質所做出的ITU-T P.800系列標準規範也逐漸獲得重視。ITU-T P.800系列標準大致上可以分為主觀跟客觀兩大系統，分別從手機的音訊效果給人的主觀感受予以評分，以及一套將音質標準客觀量化的指標。目前北美與歐洲等地皆已考慮將其列入手機產品進口時的檢測項目，唯目前市場上相關設備的供應商家數仍相當有限，也尚未有明確的導入時程，因此業界目前應密切注意相關規範的後續發展。  

(本文作者任職於易祿達科技)