耳機基本工作原理探索

1、耳機是一種通過電聲轉(zhuǎn)換原理，將音源輸出的電信號轉(zhuǎn)為人耳能聽到的聲音的音響產(chǎn)品。從耳機的發(fā)展歷史來看，最早是在1924年由德國科學(xué)家Eugen Beyer將電動換能器技術(shù)應(yīng)用在頭戴式小型揚聲器上，經(jīng)過技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟最終形成了今日的耳機。1924年，動圈式耳機之父Eugen Beyer的研發(fā)團隊在近百年的發(fā)展史中，擁有眾多經(jīng)典的耳機之作，其中首款性能指標(biāo)達到高保真標(biāo)準的是誕生于1937年的Beyerdynamic DT48頭戴式耳機，頻響范圍達到了16Hz-20kHz，而升級版DT48S更是全球首款立體聲耳機，代表著耳機進入高保真時代。經(jīng)過多年的發(fā)展與推進，消費級別的耳機從性能與表現(xiàn)形式都發(fā)

2、生了眾多改變。經(jīng)典動圈式耳機之作Beyerdynamic DT48耳機的分類有很多種，最基本的可以按照佩戴方式與體積劃分為頭戴式、貼耳式、掛耳式與入耳式等多種類型，如果按照工作特性來區(qū)分則可以分為動圈式、靜電式、平面振膜式等，若是按照開放程度來分則為開放式、半開放式與密閉式。這幾年隨著耳機技術(shù)的深入發(fā)展，還出現(xiàn)了主動降噪耳機與無線耳機，大大增強了耳機在戶外環(huán)境下的適應(yīng)能力。本次專題主要以佩戴方式與體積進行分類探討，再對每一類耳機進行細分，包攬動圈、靜電、平面振膜與動鐵式耳機，同時還將討論主動降噪耳機與無線耳機。動圈、靜電與平面振膜類工作原理分析目前，絕大部分頭戴式耳機都采用動圈式的電聲轉(zhuǎn)換工作

3、原理。動圈式作為最早運用在耳機上的電聲轉(zhuǎn)換方式，其原理與常規(guī)的音箱系統(tǒng)相近，結(jié)構(gòu)上振膜與處于永磁場中的圓柱體狀線圈相連，線圈在信號的電流驅(qū)動下帶動振膜發(fā)聲。動圈式耳機的工作效率較高，理論上振膜也就是驅(qū)動單元的尺寸越大，性能就越出色。動圈式耳機的驅(qū)動單元設(shè)計與振膜用料是影響音質(zhì)的關(guān)鍵因素而動圈式耳機與普通音箱在振膜結(jié)構(gòu)上有一定的不同。音箱揚聲器的振膜邊緣一般固定在彈性介質(zhì)上，形狀多為圓錐形，由彈性介質(zhì)提供振動的動力。對于動圈式耳機，振膜邊緣直接固定在驅(qū)動單元的框架上，振動的來源完全由振膜本身材質(zhì)的伸展和收縮來提供，因此，動圈式耳機驅(qū)動單元振膜的材質(zhì)選擇和形狀設(shè)計對于聲音的表現(xiàn)有著直接的關(guān)系。不少

4、品牌，如Sennheiser、SONY、SHURE等都有獨特的驅(qū)動單元設(shè)計與振膜用料，以確保優(yōu)秀的聲音輸出。另外，研發(fā)更高磁通量的永磁體則是另一種有效的方法，例如，BEYERDYNAMIC特斯拉系列就擁有1特斯拉的高磁通量。靜電耳機振膜非常輕薄，能夠帶來速度更快、瞬態(tài)響應(yīng)更好與細節(jié)感更突出的聲音至于靜電式，由于制造技術(shù)含量與成本較高，靜電耳機的價格往往在萬元以上。靜電耳機的工作原理不同于動圈耳機，主要是振膜由高直流電壓極化，并處于由兩塊固定的金屬板變化形成的靜電場中，在電場力的驅(qū)動下帶動振膜發(fā)聲。由于靜電耳機需要將音頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)百伏的電壓信號，因此必須使用特殊的放大器才能驅(qū)動。靜電耳機的結(jié)構(gòu)

5、相對于動圈耳機有著先天優(yōu)勢，其中最為關(guān)鍵的是振膜非常輕薄，僅為動圈耳機振膜的1/10左右。這種更輕更薄的振膜能夠帶來速度更快、瞬態(tài)響應(yīng)更好與表現(xiàn)更細膩的聲音。另外，動圈耳機的振膜由于結(jié)構(gòu)上的限制，總會存在分割振動的問題，影響三頻的均勻性。而靜電耳機的振膜是固定在平行固定極板之間，受到的電場是完全均勻的，可實現(xiàn)線性驅(qū)動。平面振膜耳機與靜電耳機都能實現(xiàn)線性振膜運動，同時低頻表現(xiàn)更為出眾而平面振膜耳機又可稱為等磁式耳機，工作原理上有別于動圈和靜電耳機，與平面振膜揚聲器甚為相近，主要是將平面音圈嵌入輕薄的振膜里。磁體集中在振膜的一側(cè)或兩側(cè)，振膜在其形成的磁場中振動。平面振膜耳機與靜電耳機都能實現(xiàn)線性振

6、膜運動，不會出現(xiàn)分割振動問題。平面振膜耳機還能承受更大的輸入功率，大聲壓下的失真更低，只是工作效率與靈敏度也較低，往往需要大功率和大電流輸出的耳放來配合。此外，體積和重量較大，并不利于長時間佩戴。開放、半開放與密閉式耳機的特點根據(jù)聲音開放方式的不同，耳機的聲音表現(xiàn)也會有不同的特點。對于開放式耳機而言，聲音會傳到外界，音場表現(xiàn)較寬，高中低三頻的均衡度高，音色中性而自然。不過降噪性能較差，而且對低頻的損失也較大。密閉式可以完整遮蔽整個耳廓，耳罩完全沒有空洞，能防止聲音的外泄以及阻止外界聲音的影響。密閉式耳機的聲音細節(jié)豐富，但音場較窄。而半開放式的優(yōu)缺點皆介于封閉式和開放式兩種耳機之間，具備一定的降

7、噪能力之余，也可以帶來不錯的音場與細節(jié)表現(xiàn)。開放式與密閉式耳機是目前的主流，兩種結(jié)構(gòu)的聲音特性更有不同耳機的主要相關(guān)參數(shù)隨著耳機技術(shù)的發(fā)展，目前越來越多的耳機都能達到國際電工委員會IEC581-10高保真耳機的標(biāo)準。具體的標(biāo)準為：耳機的頻率響應(yīng)不窄于50Hz到12.5kHz，典型頻率響應(yīng)的允許誤差為±3dB；立體聲耳機的兩個發(fā)聲體的頻率響應(yīng)曲線對應(yīng)于每個倍頻程帶寬的平均聲壓級之差不得大于2dB；100-5000Hz范圍內(nèi)，聲壓級為94dB時諧波失真不超過1%，10 0 dB時不超過3%。因此，耳機與音箱相比最大的優(yōu)勢在于細節(jié)的重現(xiàn)更好。阻抗與靈敏度是兩個重要參數(shù)，阻抗高、靈敏度低的耳

8、機需要搭配耳機放大器驅(qū)動頻響范圍決定聲音重放的細節(jié)程度優(yōu)秀的耳機頻響范圍不僅要寬闊，還要平坦影響耳機性能的主要相關(guān)參數(shù)包括阻抗、靈敏度與頻響范圍。所謂阻抗就是耳機交流阻抗的簡稱，單位是（歐姆）。專業(yè)耳機的阻抗往往在200以上，個人耳機最高可達600，16-300為常見值。驅(qū)動阻抗高的耳機需要較大的功率，因此，為了搭配低輸出功率的移動音源，最新一代的耳機阻抗往往僅為16-32。靈敏度是指輸入1mW的功率時耳機所能發(fā)出的聲壓級，靈敏度越高、阻抗越小，耳機越容易驅(qū)動。靈敏度的單位是dB/mW，動圈式耳機的靈敏度一般都在90dB/mW以上。頻響范圍是指耳機能夠輸出的聲音頻帶寬度。人的聽覺范圍是20Hz

9、-20kHz，耳機能夠重放的頻帶相當(dāng)寬，甚至可達5-45000Hz或更寬。值得注意的是，頻率響應(yīng)的不平坦度也是值得注意的地方，大部分品牌的這個參數(shù)為±3dB。優(yōu)秀的耳機頻響范圍不僅要寬闊，還要平坦。除了這三個參數(shù)之外，總諧波失真也是值得注意的地方，失真越小，音質(zhì)也就越好。動鐵類工作原理分析在前文對動圈、靜電與平面振膜類耳機工作原理進行分析的時候，曾經(jīng)提及大部分頭戴式耳機都是基于動圈式的工作方式。而對于需要進入到耳道的入耳式耳機則以微型動圈與動鐵(又稱為平衡電樞)兩種技術(shù)為主，其中高端耳機則大多數(shù)都采用多單元的動鐵結(jié)構(gòu)，主要的品牌包括SHURE、ETYMOTIC、LOGITECHUE等

10、等。當(dāng)然隨著微型動圈技術(shù)的成熟，如Sennheiser所帶來的高端動圈入耳耳機也非常出色。另外，不少品牌，如WESTON E、JHAUDIO還會為用戶提供動鐵式入耳耳機個性化定制服務(wù)，根據(jù)用戶耳廓與耳道的形狀打造完全貼合的入耳式耳機，以提供更高解析力與更好隔音效能的聲音表現(xiàn)。動鐵耳機的結(jié)構(gòu)動鐵單元結(jié)構(gòu)示意圖動鐵耳機的結(jié)構(gòu)和工作方式，與常規(guī)的動圈式耳機完全不同。動鐵耳機的音樂電信號首先經(jīng)過電磁鐵引發(fā)電磁鐵磁場變化，最后帶動繞在電磁鐵中央的鐵片振動而發(fā)出聲音。為什么動鐵單元又稱為平衡電樞？主要是因為在一般情況下鐵片往往處于磁場中心，沒有磁場力作用于它之時則處于平衡的狀態(tài)。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)可以知道，只

11、需輕微的電信號就能導(dǎo)致動鐵單元發(fā)出聲音。因此，動鐵耳機擁有非常優(yōu)秀的電聲轉(zhuǎn)換能力。動鐵耳機的優(yōu)勢基于動鐵單元的機構(gòu)特征，動鐵式入耳耳機一般體積都較小動圈式單元由于工作原理的特點，需要較多的運作空間與驅(qū)動空氣，往往體積較大。不過，近幾年隨著微型動圈單元的深入發(fā)展，加入新一代制造技術(shù)，體積上已經(jīng)逐漸接近動鐵單元。動鐵單元體積非常小巧，使得動鐵式耳機能夠放入到耳道更深的位置以提高聽感。而由于動鐵單元會隨著單元直徑的增加而大幅度提升重量，這也是動鐵技術(shù)沒能應(yīng)用在頭戴式耳機的主要原因。除了體積上的優(yōu)勢，動鐵耳機一般都擁有非常高的靈敏度，但需要留意，這并不意味著動鐵耳機就一定容易驅(qū)動，面對3單元或以上的動

12、鐵耳機，往往需要大功率輸出的音源或搭配耳放進行驅(qū)動。但使用耳放的時候，必須注意阻抗匹配的問題才能獲得最佳的效能。靈敏度高，就意味著動鐵耳機相比動圈耳機擁有更加出色的聲音解析力，特別是在中高頻的細節(jié)層次上表現(xiàn)非常出色。中高端的動鐵耳機往往會采用多個單元的結(jié)構(gòu)，需要更強的推動力動鐵耳機誕生于20世紀初，早期主要用于專業(yè)與軍事用途。當(dāng)時由于單元的頻帶較窄，并沒能進一步普及到民用領(lǐng)域。而隨著技術(shù)的不斷深入發(fā)展，動鐵單元獲得了長足的進步，目前已經(jīng)有高頻、中頻、低頻以及全頻型的動鐵單元。動鐵單元主要由金屬材質(zhì)制造而成，穩(wěn)定性要遠高于動圈耳機。Knowles Electronics帶來的各種高性能平衡電樞單

13、元不同于動圈式耳機，單元的研發(fā)基本上都是廠家自行研發(fā)的。動鐵單元由于需要極其精細的制作工藝，除了SON Y等少數(shù)廠家之外，大部分品牌都是采用第三方的單元。其中，最為普及的是Knowles Electronics(婁氏)所帶來的各種高性能的動鐵單元，全頻類的動鐵單元已經(jīng)能夠達到20Hz-20kHz的水平。而SONY最新研發(fā)的動鐵單元則囊括了全頻、高音、低音以及重低頻單元。對于高端的多單元動鐵耳機，決定音質(zhì)優(yōu)劣除了單元的性能，分頻電路的設(shè)計也是關(guān)鍵。不同的廠家往往會有不一樣的調(diào)整方式，這也是它們聲音特性各異的主要原因。入耳式耳機使用須知耳套的重要性與不同類型耳套是入耳式耳機中非常重要的一部分，它是

14、驅(qū)動單元與耳道之間連接的橋梁。優(yōu)質(zhì)的耳套在增強音質(zhì)表現(xiàn)的同時，也能提升佩戴的舒適感。中高端的入耳式耳機往往都會為用戶準備多套不同材質(zhì)的耳套，而低端的大眾化產(chǎn)品卻只有同材質(zhì)不同大小的耳套。因此，大家其實可以選擇第三方品牌的耳套。普遍使用的軟膠型耳套ETYMOTIC經(jīng)典的三節(jié)膠套目前非定制的入耳耳機所采用的耳套材質(zhì)分為軟膠與海綿兩大類。軟膠又可以根據(jù)形狀的不同分為單節(jié)膠套與多節(jié)膠套兩大類。單節(jié)膠套佩戴舒適感較好，但不具備調(diào)節(jié)性。多節(jié)膠套如ET YMOTIC就為是經(jīng)典的三節(jié)膠套，設(shè)計原型來自醫(yī)療助聽類產(chǎn)品，可以讓用戶根據(jù)自己耳道的深淺選擇是否增加插入深度，同時還增強了隔音效果。這類膠套的不便之處在于

15、舒適感不及單節(jié)膠套，并非每個用戶都能接受。來自Comply的海綿套海綿套是目前佩戴舒適性最高的耳套類型，其中Comply的一系列海綿套最為出名。與軟膠套相比更加緊貼耳道從而形成密封性更強的空間，隔音性能也更為出色。若從聽感而言，聲音細節(jié)、層次將更為豐富自然，解析力更強。不過，海綿套相比軟膠套，清潔方面是一大問題，一般情況下，它是不能清洗的，并且在使用一段短時間后就需要更換，使用成本較高。與軟膠套不同，海綿套與耳機相連的導(dǎo)管直徑是固定的，不能用在導(dǎo)管尺寸不同的耳機上。而在定制化入耳耳機方面，由于耳機的體積較大，通過情況下并沒有耳套，而是整個耳機直接塞入耳朵之中。因此，用戶不需要考慮更換耳套的問題，這也是定制化耳機在使用方面的一大優(yōu)勢。在使用方面，入耳式耳機并不適合長時間使用，同時也需要搭配合適的耳套，這也是它與頭戴式耳機相比最大的問題。而優(yōu)異的便攜性與較低的驅(qū)動要求，再加上可媲美頭戴式耳機的聲音表現(xiàn)，使得入耳式