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耳机的基本类型及工作原理探索

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耳机是一种通过电声转换原理,将音源输出的电信号转为人耳能听到的声音的音响产品。从耳机的发展历史来看,最早是在1924年由德国科学家Eugen Beyer将电动换能器技术应用在头戴式小型扬声器上,经过技术的不断发展与成熟最终形成了今日的耳机。

1924年,动圈式耳机之父Eugen Beyer的研发团队

在近百年的发展史中,拥有众多经典的耳机之作,其中首款性能指标达到高保真标准的是诞生于1937年的Beyerdynamic DT48头戴式耳机,频响范围达到了16Hz-20kHz,而升级版DT48S更是全球首款立体声耳机,代表着耳机进入高保真时代。经过多年的发展与推进,消费级别的耳机从性能与表现形式都发生了众多改变。

经典动圈式耳机之作Beyerdynamic DT48

耳机的分类有很多种,最基本的可以按照佩戴方式与体积划分为头戴式、贴耳式、挂耳式与入耳式等多种类型,如果按照工作特性来区分则可以分为动圈式、静电式、平面振膜式等,若是按照开放程度来分则为开放式、半开放式与密闭式。这几年随着耳机技术的深入发展,还出现了主动降噪耳机与无线耳机,大大增强了耳机在户外环境下的适应能力。
本次专题主要以佩戴方式与体积进行分类探讨,再对每一类耳机进行细分,包揽动圈、静电、平面振膜与动铁式耳机,同时还将讨论主动降噪耳机与无线耳机。
动圈、静电与平面振膜类工作原理分析

目前,绝大部分头戴式耳机都采用动圈式的电声转换工作原理。动圈式作为最早运用在耳机上的电声转换方式,其原理与常规的音箱系统相近,结构上振膜与处于永磁场中的圆柱体状线圈相连,线圈在信号的电流驱动下带动振膜发声。动圈式耳机的工作效率较高,理论上振膜也就是驱动单元的尺寸越大,性能就越出色。

动圈式耳机的驱动单元设计与振膜用料是影响音质的关键因素

而动圈式耳机与普通音箱在振膜结构上有一定的不同。音箱扬声器的振膜边缘一般固定在弹性介质上,形状多为圆锥形,由弹性介质提供振动的动力。对于动圈式耳机,振膜边缘直接固定在驱动单元的框架上,振动的来源完全由振膜本身材质的伸展和收缩来提供,因此,动圈式耳机驱动单元振膜的材质选择和形状设计对于声音的表现有着直接的关系。不少品牌,如Sennheiser、SONY、SHURE等都有独特的驱动单元设计与振膜用料,以确保优秀的声音输出。另外,研发更高磁通量的永磁体则是另一种有效的方法,例如,BEYERDYNAMIC特斯拉系列就拥有1特斯拉的高磁通量。

静电耳机振膜非常轻薄,能够带来速度更快、瞬态响应更好与细节感更突出的声音

至于静电式,由于制造技术含量与成本较高,静电耳机的价格往往在万元以上。静电耳机的工作原理不同于动圈耳机,主要是振膜由高直流电压极化,并处于由两块固定的金属板变化形成的静电场中,在电场力的驱动下带动振膜发声。由于静电耳机需要将音频信号转化为数百伏的电压信号,因此必须使用特殊的放大器才能驱动。
静电耳机的结构相对于动圈耳机有着先天优势,其中最为关键的是振膜非常轻薄,仅为动圈耳机振膜的1/10左右。这种更轻更薄的振膜能够带来速度更快、瞬态响应更好与表现更细腻的声音。另外,动圈耳机的振膜由于结构上的限制,总会存在分割振动的问题,影响三频的均匀性。而静电耳机的振膜是固定在平行固定极板之间,受到的电场是完全均匀的,可实现线性驱动。

平面振膜耳机与静电耳机都能实现线性振膜运动,同时低频表现更为出众

而平面振膜耳机又可称为等磁式耳机,工作原理上有别于动圈和静电耳机,与平面振膜扬声器甚为相近,主要是将平面音圈嵌入轻薄的振膜里。磁体集中在振膜的一侧或两侧,振膜在其形成的磁场中振动。平面振膜耳机与静电耳机都能实现线性振膜运动,不会出现分割振动问题。平面振膜耳机还能承受更大的输入功率,大声压下的失真更低,只是工作效率与灵敏度也较低,往往需要大功率和大电流输出的耳放来配合。此外,体积和重量较大,并不利于长时间佩戴。

开放、半开放与密闭式耳机的特点

根据声音开放方式的不同,耳机的声音表现也会有不同的特点。对于开放式耳机而言,声音会传到外界,音场表现较宽,高中低三频的均衡度高,音色中性而自然。不过降噪性能较差,而且对低频的损失也较大。
密闭式可以完整遮蔽整个耳廓,耳罩完全没有空洞,能防止声音的外泄以及阻止外界声音的影响。密闭式耳机的声音细节丰富,但音场较窄。
而半开放式的优缺点皆介于封闭式和开放式两种耳机之间,具备一定的降噪能力之余,也可以带来不错的音场与细节表现。

开放式与密闭式耳机是目前的主流,两种结构的声音特性更有不同

耳机的主要相关参数
随着耳机技术的发展,目前越来越多的耳机都能达到国际电工委员会IEC581-10高保真耳机的标准。具体的标准为:耳机的频率响应不窄于50Hz到12.5kHz,典型频率响应的允许误差为±3dB;立体声耳机的两个发声体的频率响应曲线对应于每个倍频程带宽的平均声压级之差不得大于2dB;100-5000Hz范围内,声压级为94dB时谐波失真不超过1%,10 0 dB时不超过3%。因此,耳机与音箱相比最大的优势在于细节的重现更好。

阻抗与灵敏度是两个重要参数,阻抗高、灵敏度低的耳机需要搭配耳机放大器驱动

频响范围决定声音重放的细节程度优秀的耳机频响范围不仅要宽阔,还要平坦

影响耳机性能的主要相关参数包括阻抗、灵敏度与频响范围。所谓阻抗就是耳机交流阻抗的简称,单位是Ω(欧姆)。专业耳机的阻抗往往在200Ω以上,个人耳机最高可达600Ω,16-300Ω为常见值。驱动阻抗高的耳机需要较大的功率,因此,为了搭配低输出功率的移动音源,最新一代的耳机阻抗往往仅为16-32Ω。
灵敏度是指输入1mW的功率时耳机所能发出的声压级,灵敏度越高、阻抗越小,耳机越容易驱动。灵敏度的单位是dB/mW,动圈式耳机的灵敏度一般都在90dB/mW以上。
频响范围是指耳机能够输出的声音频带宽度。人的听觉范围是20Hz-20kHz,耳机能够重放的频带相当宽,甚至可达5-45000Hz或更宽。值得注意的是,频率响应的不平坦度也是值得注意的地方,大部分品牌的这个参数为±3dB。优秀的耳机频响范围不仅要宽阔,还要平坦。除了这三个参数之外,总谐波失真也是值得注意的地方,失真越小,音质也就越好。
动铁类工作原理分析

在前文对动圈、静电与平面振膜类耳机工作原理进行分析的时候,曾经提及大部分头戴式耳机都是基于动圈式的工作方式。而对于需要进入到耳道的入耳式耳机则以微型动圈与动铁(又称为平衡电枢)两种技术为主,其中高端耳机则大多数都采用多单元的动铁结构,主要的品牌包括SHURE、ETYMOTIC、LOGITECHUE等等。当然随着微型动圈技术的成熟,如Sennheiser所带来的高端动圈入耳耳机也非常出色。
另外,不少品牌,如WESTON E、JHAUDIO还会为用户提供动铁式入耳耳机个性化定制服务,根据用户耳廓与耳道的形状打造完全贴合的入耳式耳机,以提供更高解析力与更好隔音效能的声音表现。

动铁耳机的结构

动铁单元结构示意图

动铁耳机的结构和工作方式,与常规的动圈式耳机完全不同。动铁耳机的音乐电信号首先经过电磁铁引发电磁铁磁场变化,最后带动绕在电磁铁中央的铁片振动而发出声音。为什么动铁单元又称为平衡电枢?主要是因为在一般情况下铁片往往处于磁场中心,没有磁场力作用于它之时则处于平衡的状态。根据这样的结构可以知道,只需轻微的电信号就能导致动铁单元发出声音。因此,动铁耳机拥有非常优秀的电声转换能力。

动铁耳机的优势

基于动铁单元的机构特征,动铁式入耳耳机一般体积都较小

动圈式单元由于工作原理的特点,需要较多的运作空间与驱动空气,往往体积较大。不过,近几年随着微型动圈单元的深入发展,加入新一代制造技术,体积上已经逐渐接近动铁单元。动铁单元体积非常小巧,使得动铁式耳机能够放入到耳道更深的位置以提高听感。而由于动铁单元会随着单元直径的增加而大幅度提升重量,这也是动铁技术没能应用在头戴式耳机的主要原因。
除了体积上的优势,动铁耳机一般都拥有非常高的灵敏度,但需要留意,这并不意味着动铁耳机就一定容易驱动,面对3单元或以上的动铁耳机,往往需要大功率输出的音源或搭配耳放进行驱动。但使用耳放的时候,必须注意阻抗匹配的问题才能获得最佳的效能。灵敏度高,就意味着动铁耳机相比动圈耳机拥有更加出色的声音解析力,特别是在中高频的细节层次上表现非常出色。

中高端的动铁耳机往往会采用多个单元的结构,需要更强的推动力

动铁耳机诞生于20世纪初,早期主要用于专业与军事用途。当时由于单元的频带较窄,并没能进一步普及到民用领域。而随着技术的不断深入发展,动铁单元获得了长足的进步,目前已经有高频、中频、低频以及全频型的动铁单元。动铁单元主要由金属材质制造而成,稳定性要远高于动圈耳机。

Knowles Electronics带来的各种高性能平衡电枢单元

不同于动圈式耳机,单元的研发基本上都是厂家自行研发的。动铁单元由于需要极其精细的制作工艺,除了SON Y等少数厂家之外,大部分品牌都是采  用第三方的单元。其中,最为普及的是Knowles Electronics(娄氏)所带来的各种高性能的动铁单元,全频类的动铁单元已经能够达到20Hz-20kHz的水平。而SONY最新研发的动铁单元则囊括了全频、高音、低音以及重低频单元。对于高端的多单元动铁耳机,决定音质优劣除了单元的性能,分频电路的设计也是关键。不同的厂家往往会有不一样的调整方式,这也是它们声音特性各异的主要原因。

入耳式耳机使用须知

耳套的重要性与不同类型
  耳套是入耳式耳机中非常重要的一部分,它是驱动单元与耳道之间连接的桥梁。优质的耳套在增强音质表现的同时,也能提升佩戴的舒适感。中高端的入耳式耳机往往都会为用户准备多套不同材质的耳套,而低端的大众化产品却只有同材质不同大小的耳套。因此,大家其实可以选择第三方品牌的耳套。

普遍使用的软胶型耳套

ETYMOTIC经典的三节胶套

目前非定制的入耳耳机所采用的耳套材质分为软胶与海绵两大类。软胶又可以根据形状的不同分为单节胶套与多节胶套两大类。单节胶套佩戴舒适感较好,但不具备调节性。多节胶套如ET YMOTIC就为是经典的三节胶套,设计原型来自医疗助听类产品,可以让用户根据自己耳道的深浅选择是否增加插入深度,同时还增强了隔音效果。这类胶套的不便之处在于舒适感不及单节胶套,并非每个用户都能接受。

来自Comply的海绵套

海绵套是目前佩戴舒适性最高的耳套类型,其中Comply的一系列海绵套最为出名。与软胶套相比更加紧贴耳道从而形成密封性更强的空间,隔音性能也更为出色。若从听感而言,声音细节、层次将更为丰富自然,解析力更强。
不过,海绵套相比软胶套,清洁方面是一大问题,一般情况下,它是不能清洗的,并且在使用一段短时间后就需要更换,使用成本较高。与软胶套不同,海绵套与耳机相连的导管直径是固定的,不能用在导管尺寸不同的耳机上。
而在定制化入耳耳机方面,由于耳机的体积较大,通过情况下并没有耳套,而是整个耳机直接塞入耳朵之中。因此,用户不需要考虑更换耳套的问题,这也是定制化耳机在使用方面的一大优势。在使用方面,入耳式耳机并不适合长时间使用,同时也需要搭配合适的耳套,这也是它与头戴式耳机相比最大的问题。而优异的便携性与较低的驱动要求,再加上可媲美头戴式耳机的声音表现,使得入耳式耳机获得了越来越多用户的认可。

其他类型的耳机特点

在耳机的发展过程中,除了上述所提及的众多类型之外,主动式降噪与无线耳机也越来越流行。主动式降噪耳机就是利用麦克风与有源降噪电路减低外界的噪声干扰,以提高耳机在户外嘈杂环境的使用性能。不少主动式降噪耳机往往还会将放大电路融合其中,例如PSB M4U 2就是一款能够切换主动降噪、主动放大以及被动模式的多功能耳机,用户无需考虑驱动的问题。而无线耳机,通常都是采用蓝牙、Wi-Fi或其他2.4GHz频段的无线信号传输技术,提高了佩戴的舒适性。

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