電競筆電小學堂:一窺頂級音效的奧秘

By Notebookcheck |
原文來自:Notebookcheck
為了提供玩家如臨現場般的的聽覺享受,電腦製造商在生產電競筆電時需要同時考慮內建喇叭跟耳機輸出的音訊品質,這是與製造桌上型電腦的不同考量。 在這篇文章,我們將探討電競筆電在音訊設計上,對於喇叭與耳機輸出的奧秘,包括物理與電學上之考量,以及音效軟體強化,幫助提昇玩家的聽覺體驗,打造豐富的沉浸式遊戲音效體驗。 接下來就讓我們用 MSI 電競筆電之音訊設計當做範例,說明這些概念。
 
GE75 Raider 9SG
MSI GE75 Raider 9SG.上低音喇叭與中音喇叭的擺置

簡介

在購買電競筆電的時候,喇叭通常不會受到特別的關注,大家比較關心的是 CPU、GPU、RAM 的大小,還有搭配的面板類型與品質。 大部分筆電廠商知道使用者最後還是會用有線或是無線耳機,所以提供較小的喇叭單體設計,使得輸出音量較差,連帶音訊品質也很普通。厲害的使用者甚至會用專用 USB DAC數位類比音源轉換器,以追求取得最完美的原音重現。
 
一般電競筆電會搭載普通品質的喇叭,有很多原因,最主要是節省成本。以委託代工生產電競筆電的角度來看,代工廠商通常把開發喇叭的成本轉到其他可能會影響購買意願的零件上,而且筆電內部空間的限制也是一個原因。目前電競筆電不斷追求更纖薄的機身,多數結果就是很難在現有普通筆電機殼內,裝入重低音喇叭還有優良的中音揚聲器(喇叭)。
 
讀者們都知道,我們在進行電競筆電評測時,也會測試內建的音訊特性,進一步能夠了解該筆電競電內建喇叭的頻率範圍。在這篇文章,我們將探討電競筆電喇叭是怎麼設計的,以及它們的運作原理。我們也會探討如何提供優良耳機音訊輸出,以及一些與硬體配合的專屬音訊優化軟體。底下就讓我們使用 MSI 電競筆電的音訊設計進行解說。
 

電競筆電內部搭載的喇叭設計

玩家可以用耳機或是外接喇叭的方式,來獲得較好的音訊聆聽體驗,但是,電競筆電內建部搭載的喇叭設計依然是生產製造過程時重要的考慮項目。例如是喇叭單體大小、喇叭音箱擺置位置、可容納的喇叭音箱類型、音訊電路設計,以及音訊頻率響應等因素,這些都是在取得最佳音訊聆聽體驗上扮演重要的角色。我們來各別簡單介紹一下。
 

決定喇叭大小與擺放位置

丹麥公司 Dynaudio 為各種音訊應用提供世界上最好的音效技術該品牌以追求“絕對真實”的原音重現為標準。跟一般電競筆電會搭載傳統喇叭相比,Dynaudio設計的喇叭可以發出更為純淨的原始音源。MSI 從 2009 年就持續與 Dynaudio 合作,提昇電競筆電達到原音重現真實效果,而且這項合作更涵蓋到電競筆電設計階段時,對於喇叭單體的選擇與喇叭音箱擺放在機身內部的位置。
 
Deciding on speaker size and placement
電競筆電在設計階段就決定喇叭單體大小與擺置區域。 (圖片提供:MSI)
 
電競筆電在設計階段,Dynaudio在很早期的階段就參與喇叭設計。如旁邊這張圖所見,喇叭大小與位置已納入設計藍圖。在確定喇叭大小與擺位的同時要考量平衡、共鳴以及振動的重要因素。 Dynaudio 工程師研究了喇叭的位置與電競筆電內部音訊電路設計並且提出建議,然後在最後量產前對原型設計進行多次測試。由於電競筆電內部提供喇叭單體能夠震動空氣的空間有限,直接影響音訊頻率響應狀況。 因此,必須盡可能利用可用空間提供音訊響應,確保喇叭有良好的音訊輸出。
 

大型喇叭設計

一般而言,多數的筆電採用兩邊各有一個喇叭設計。雖然部分較好的筆電在重現中高階音質尚可接受,但是低音的表現就欠佳。而且在超薄的機身內部,額外裝載低音喇叭並不容易。為了呈現最真實的聲音,唯一的辦法就是盡可能在可用空間內,擺入一對低音喇叭與一對喇叭。
 
Giant Speaker Design
大型喇叭音箱的設計,重現很好的低頻與高頻音訊品質。 (圖片提供:MSI)
 
MSI在GE系列的巨型音箱喇叭(Giant Speaker)是實現該目標的方法之一。如我們所見,機身內部空間底部有四分之一是巨型音箱喇叭系統專用。在這個音訊輸出硬體設計裡,可以看到筆電兩邊都有一對低音喇叭與喇叭,而且兩者都封閉在相當大的喇叭音箱內。這樣一來可以重現更寬廣的音訊頻率,並且比起傳統筆電的小喇叭音箱設計好很多。

 

Resonance absorption
共振異音吸收設計

如果認真研究電競筆電機殼內部空間很小這點,那麼很明顯理解喇叭音源輸出時,會有不需要的共振狀況發生。使用共振緩衝設計可以非常有效地抑制共振狀況。 在一般筆電喇叭中,共振緩衝緩衝設計放在主喇叭振膜周圍,盡可能減弱共振異音。
 

SMART AMP 音訊放大電路設計

在CES 2015,Texas Instruments 展示了稱作「Smart Amp」的產品。簡單來說,Smart Amp 可以讓喇叭輸出更多功率,但不會造成喇叭單體的損傷。大多數筆記本電腦喇叭的最大功率限制在2 W,即使理論上喇叭單體最高功率可輸出 10 W 或 30 W。這個設計是為了要防止過量電流通過線圈造成損壞,同時避免削切失真現象。Smart Amp音訊放大電路設計可以動態濾除超過安全標準的特定頻率,而非整個波形。
 
MSI的Smart Amp可提供高達 30 W 的聲音輸出,不會因額外的電壓和溫度造成喇叭損壞。可以即時監控和調整參數,只有潛在破壞性的「突波」會被過濾掉。 因此,喇叭能夠以更高的功率運作,不會有問題。 在如電競筆電這種空間受限的裝置上,有 Smart Amp 設計的喇叭,其聲音響應頻率 遠高於採用傳統音訊放大設計的喇叭。這意味著低音以及中高音都更有力量。
 
Smart Amp Circuit Design
Smart Amp 提供較大聲音響應範圍。 (圖片提供:MSI)
 

改善低頻響應不佳狀況

鑑於典型筆電機箱空間的限制,要取得喇叭單體提供適當的低頻響應是一道難題。為了緩解這個問題,GS75 Stealth採用了被動式振膜設計音箱。簡單來說就是內建有振膜、懸架、框架,但是沒有沒有磁鐵和音圈配備的被幅式單體。。 使用被動式振膜設計音箱的優勢在於它提供的低頻響應,媲美大型音箱。
 
Schematic of a passive radiator
被動式振膜設計音箱示意圖。 (來源:Center Point Audio)
 
那麼被動式振膜設計音是怎麼重現低音效果的? 參考右側的示意圖,背景是一個封閉的喇叭音箱。 當音圈上有音頻交流訊號時,會影響機箱內的氣壓。被動式振膜會隨著空氣振動而產生與低音喇叭系統類似的低頻效果。
 
被動式振膜不僅可以用於低音喇叭,中音喇叭也可以。 因為不像低音反射管需要調音--只需按照實際使用的喇叭驅動器進行設計,所以設計起來很簡單。 這使得它們在小型喇叭機箱中非常有效。 在下面的照片中,你可以看到筆電喇叭針對中頻音效的典型設計。 我們在頂部看到的實際上是被動式振膜,真正的喇叭單體位在底部。
 
Mid-range frequency laptop speaker

筆電中頻音效的喇叭-頂部。 (圖片來源:MSI)

Mid-range frequency laptop speaker - bottom

筆電中頻音效中頻的筆電喇叭-底部。 (圖片來源:MSI)

 
被動式振膜的性能評估顯示,其聲音頻率響應可媲美類似尺寸的典型 2514/4 cc 微型喇叭,尤其是在低音與中音。 在下方圖表中,我們看到對造組微型喇叭可以輸出非常低的 100 Hz 頻率。 被動式振膜喇叭的表現非常接近這個數值,且也非常接近 1000 Hz 顛峰頻率。
 
Passive radiator (green) and reference micro-speaker
被動式振膜喇叭(綠)和對造組微型喇叭(紅色)的頻率響應比較圖。(圖片來源:MSI)

 

在我們本身對 MSI GT76 進行的檢視,發現聲音頻率響應非常出色,最大音量高達 90 dB。 儘管音質有點悶沉,且低音和中音有待加強,但毫無疑問,GT76 的性能令人印象深刻,很少有筆電可以向其挑戰。
 
Frequency diagram
頻率圖(方框可以勾選來比較裝置)

 

耳機輸出音訊設計

儘管內建喇叭強化音訊很好,要有身歷其境的沉浸式遊戲體驗,大多數使用者還是會用耳機。 因此,耳機音訊必須使用高品質元件,才可獲得高訊噪比 (SNR) 和良好的語音通訊性能。
 

高訊噪比的關鍵設計

厲害的發燒友會強調,好的音效電路設計對於高解析度音訊輸出是相當重要。確保最少的音效訊號漏失、較少音效雜訊,大大增強聽覺體驗。當然,PCB電路板設計也需要費一番功夫。
 
PCB 佈局是耳機音訊元件設計非常關鍵的一環,包括確保有限的板面有良好的繞線, PCB版層數還有內建元件都是重要因素,良好的音訊晶片效能的更是關鍵樣。 替不了解的人說明一下,優異的PCB 板布局設計,可以抑制電磁雜訊干擾,以提供最佳音訊品質。
 
Proper PCB layout is essential for quality audio output
完善的 PCB 佈局才能有良好音訊輸出。 (圖片來源:MSI)
 

我們不會深入探討完善PCB板設計的具體細節,一般來說,簡化PCB板的音訊線路設計,讓音訊晶片訊號輸出更為純淨,以減少電流的總諧波失真(THD)。
 

其他幾項設計對於取得清晰的音訊輸出也有幫助。 包括:
  • 音訊晶片位置最佳化。。
  • 優化音效輸出設計。
  • 音訊訊號傳遞最佳化。
  • 將數位電路與類比電路分開。
  • 使用鍍金音訊接頭,避免音訊訊號失真。


VOICEBOOST語音通話增強設計

Voiceboost settings in MSI Dragon Center
MSI Dragon Center 的 Voiceboost 設定。 (圖片來源:MSI)

 
與隊友使用語音協調溝通,讓多人遊戲玩起來特別有趣。 以往傳統的耳麥配備,玩家的聲音可能會被嘈雜的遊戲音淹沒,造成戰略上的劣勢。 Voiceboost 語音通話增強希望藉由偵測玩家語音,讓它有比其他應用程式還有遊戲音更高的優先權,來緩解這個問題。 這樣一來,隊員可以清楚聽到彼此對話,計畫下一波的戰略調度。 Voiceboost 可以直接從 MSI Dragon Center 軟體設定。

專屬音效軟體加持

前面我們已看過要怎麼決定喇叭、擺置,還有音訊電路設計,將耳機音訊性能最大化。 高品質音效硬體電路設計需要有同樣高水準的軟體支援,這就是 Nahimic 登場的時機。在這個段落,我們對 Nahimic 如何強化你既有喇叭或耳機配備整體的音訊體驗,進行簡單介紹。

降噪設計

提供良好的抗噪演算法,對耳機設計不可或缺。 與其他軟體音訊處理技術如 Dolby Digital 或 Creative SoundBlaster Cinema相比,Nahimic 讓你有更強的能力為音訊添增色彩,如控制聲音定位,調整噪音閘,降低環境背景噪音以及波束成形。 即使你正在玩緊張刺激的動作遊戲,Nahimic 依然可以從背景噪音,如爆炸或是引擎聲裡辨別你的聲音。 該軟體在實驗室內利用模擬特定環境調校,並且調整消除噪音的高準度。
 
Audio simulation for noise cancellation development

開發抗噪技術用的音訊模擬 (圖片來源:MSI)

Audio simulation for noise cancellation development

開發抗噪技術用的音訊模擬 (圖片來源:MSI)

Nahimic microphone UI

Nahimic 麥克風 UI. (圖片來源:MSI)

7.1-聲道虛擬環繞

大部分遊戲(和多媒體軟體) 的音訊都使用 Windows 預設的聲音設定。 這表示如果你有立體音耳機,並且使用 Windows 預設設定,則多聲道音訊會被縮混成立體音聲道,在遊戲中就會失去像是敵人在你後方悄悄接近這種空間音效。
 
為了避免這個問題,Nahimic 使用了稱作 N-Force的專利技術。 N-Force 讓遊戲以為它接上的是 7. 1聲道的音訊裝置,因此遊戲引擎可以提供所有編碼的聲道,不需縮混為立體音。 N-Force 接著將此聲音資訊送到 Nahimic 的頭部轉移函數(HRTF) 演算法,決定聲音的位置,並添加其他 3D 效果,提供身歷其境的體驗。 有了 Nahimic,玩家不再需要猜想敵人的位置,且能夠概估遊戲中各種聲音的相對位置。
 
Nahimic

如果沒有 Nahimic,則遊戲引擎只會輸出 Windows 設定的 2 聲道立體音。(投影片提供:MSI)

7.1-channel

Nahimic 讓遊戲引擎提供完整的 7.1聲道音訊。(投影片提供:MSI)

Nahimic 3D Audio

Nahimic 3D音訊的好處。(投影片提供:MSI)


立體音增強

Nahimic 還提供立體音增強功能,讓音樂與電影體驗更為動人。 傳統上的內部與外接喇叭,聲音都直接對準聽眾,在頭部周圍有 60° 的包覆。 如果加上串音干擾抵消效果,可以進一步分離左右聲道的訊息,再通過專利的跨耳濾波器,可以將立體音效果從 60° 加寬到 180°。
 
跨耳濾波器有助於增強立體音效果,而雙耳濾波器有助於重建中央聲道-在多聲道配備中,大部分的對話都在中央聲道編碼-並在空間上向外分出左右立體音聲道。 這可以產生身歷其境的效果,類似 多件式環繞喇叭配備。
 
A crosstalk cancellation effect is applied to fully separate L and R channels

應用串音干擾抵消效果,完全分離 LR 聲道。(投影片提供:MSI)

Transaural virtualization enables stereo widening

跨耳虛擬化實現立體音加寬。(投影片提供:MSI)

Binaural virtualization recreates a center channel simulating a 3.0 setup

雙耳虛擬化重建中央聲道,模擬 3.0 配備。(投影片提供:MSI)

 

立體聲增混

電影鑑賞家比較喜歡用 5.1 或 7.1 聲道喇叭的原生多聲道配備,而非傳統耳機。 DTS 或 Dolby Digital 編碼的 5.1音訊在 DVD 和藍光光碟中很常見。 5.1 配備可提供正確的音訊定位。 例如對話通常在中央,而左右聲道則是主要曲目。 後聲道通常會播放輔助音,例如人群噪音,人們在角色背後講話,或來自背後的槍聲。
但是,當音源只是立體音串流時,就沒有使用到這些系統。 透過音源分析,Nahimic 根據音訊元素的屬性將其分離,實現將立體聲增混到 5.1 聲道的功能。 這個作法有其限制,且輸出的精確度不如原生 5.1 編碼那麼精確。 雖然這麼說,用 5.1 聲道配備聽取以立體聲編碼的音樂和電影時,立體聲增混依然很有用。
Nahimic can read the incoming stereo source and extract each component

Nahimic 可以讀取傳入的立體音源並抽取各個元素。(投影片提供:MSI)

It then splits the components into respective feeds for each channel

它接著將這些元素切分為各聲道的訊號。(投影片提供:MSI))

 

人性化界面

直觀的使用者界面 (UI) ,讓使用 Nahimic 功能強大的工具更為便利,不需鑽透如迷宮般的選項。 最新的 Nahimic UI 以玩家需求角度出發,由玩家製作,玩家專用。 從 Windows 10 1809開始,Microsoft 新增了一個驅動程式平台,叫做聲明性元件化硬體 (DCH) 驅動程式,與 Windows UWP 平台有更佳相容性。 Nahimic 支援新的 UWP 平台,因此自動更新對其有益,且已測試許多筆電型號的相容性。
新 UI 中的控件存取便利,並有一些很棒的功能,例如靜態噪音抑制,有專利的聲音追踪器,還有語音穩定器。 無論你與麥克風的距離為何,語音穩定器有助於維持相同的語音位準。 還有一個專用的夜間模式,可以將輸出音量降低 10 dB,讓你不會在深夜時間玩遊戲吵到周圍的人。
Microsoft UWP compliantt

Nahimic 已完全重新設計,並且符合 Microsoft UWP 規格。(投影片提供:MSI)

The UI is intuitive and is easily understandable

UI 直觀易懂。(投影片提供:MSI)

Users can control the extent of background noise suppression.

使用者可以控制背景噪音抑制度。(投影片提供:MSI)

Sound Tracker helps track spatial sound positioning.

聲音追蹤器有助於追蹤聲音在空間上的定位。(投影片提供:MSI)

audio information

語音穩定器確保恆定的語音位準,無論你與麥克風的距離為何。(投影片提供:MSI)

audio information

夜間模式減少輸出音量,卻不犧牲聲音品質。(投影片提供:MSI)


結論

在本文,我們從電子學與軟體體驗的角度,探討如何設計頂級音效系統。 從上面的討論,有一點很清楚--要把高品質音訊元件裝入細薄的筆電機箱不是一件易事。從元件供應商到最終使用者,所有利害關係人之間都需要進行多方面的協調。 零件選擇不當、調校不精確都會影響音訊體驗,筆電也就乏人問津。 即使大多數筆電使用者喜歡耳機或外接喇叭,對內建喇叭品質的關注一樣重要。
 
RTX logo希望這些筆電音訊設計的入門知識,讓讀者購買筆電時,釐清在這方面重要的概念。 想參閱未來的的筆電 101 主題,包括如何決定 LCD 面板精度,觸控板設計,還有更多內容,請關注這裡。
 
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