耳機發(fā)聲原理
耳機發(fā)聲原理
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。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。學(xué)習(xí)啦小編就為大家介紹耳機的發(fā)聲原理，僅供參考。
耳機的來源
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(dá)到高保真標(biāo)準(zhǔn)的是誕生于1937年的Beyerdynamic DT48頭戴式耳機，頻響范圍達(dá)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)生了眾多改變。
耳機的種類
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(xì)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(xì)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)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(xì)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(xì)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，具備一定的降噪能力之余，也可以帶來不錯的音場與細(xì)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(dá)到國際電工委員會IEC581-10高保真耳機的標(biāo)準(zhǔn)。具體的標(biāo)準(zhǔn)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(xì)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(xì)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Ω(歐姆)。專業(yè)耳機的阻抗往往在200Ω以上，個人耳機最高可達(dá)600Ω，16-300Ω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16-32Ω。
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-20kHz，耳機能夠重放的頻帶相當(dāng)寬，甚至可達(dá)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)。
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。
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(xì)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(jì)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(yuǎn)高于動圈耳機。
Knowles Electronics帶來的各種高性能平衡電樞單元
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(xì)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(dá)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(zhǔn)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(xì)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)，使得入耳式耳機獲得了越來越多用戶的認(rèn)可。
耳機的特點
在耳機的發(fā)展過程中，除了上述所提及的眾多類型之外，主動式降噪與無線耳機也越來越流行。主動式降噪耳機就是利用麥克風(fēng)與有源降噪電路減低外界的噪聲干擾，以提高耳機在戶外嘈雜環(huán)境的使用性能。不少主動式降噪耳機往往還會將放大電路融合其中，例如PSB M4U 2就是一款能夠切換主動降噪、主動放大以及被動模式的多功能耳機，用戶無需考慮驅(qū)動的問題。而無線耳機，通常都是采用藍(lán)牙、Wi-Fi或其他2.4GHz頻段的無線信號傳輸技術(shù)，提高了佩戴的舒適性。