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音频知识库:耳机驱动单元全面解析

发布:armature 
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概述:目前市面上售卖的耳机很多,从科学上解释,耳机是一对转换单元,它接受媒体播放器或接收器所发出的电讯号,利用贴近耳朵的扬声器将其转化成可以听到的音波。耳机一般是与媒体播放器可分离的,利用一个插头连接。好处是在不影响旁人的情况下,可独自聆听音响;亦可隔开周围环境的声响,对在录音室、DJ等在噪吵环境下工作的人很有帮助。


享受音乐是人类天生的需要

根据不同的技术发展,耳机的驱动单元可以分为各种类别,而我们普遍认知的是以换能原理(Transducer)区分的单元分类。依照耳机中使用换能器的声音驱动方式,可分作动圈式(Dynamic)和静电式(Electrostatic)、压电式、动铁式、气动式、电磁式等。

动圈式:就是很薄的极具韧性的塑料片为震动单元的动圈和生物振膜的动圈

音频知识库:耳机驱动单元全面解析
动圈式耳机原理图

动圈式耳机动圈耳机,又称电动式耳机。目前绝大多数平价的耳机耳塞都属此类,原理类似于电动式扬声器,处于永磁场中的缠绕的圆柱体状线圈与振膜相连,线圈在信号电流驱动下带动振膜发声。动圈耳机与一般扬声器很大的不同在于振膜的区别,音箱扬声器的振膜边缘一般固定在弹性介质(折环和定心支片)上(例如在大口径低音单元上),振膜一般是平整的圆锥形,由弹性介质提供振动系统的力顺;而在动圈式耳机中,振膜边缘直接固定在驱动单元的框架上,振膜具有褶皱,振动系统的力顺完全由振膜本身材质的伸展和收缩以及褶皱的变形来提供的,所以说动圈式耳机驱动单元振膜的材质选择和形状设计对单元最终的发声品质影响非常大,同时也是非常娇弱的。动圈式驱动单元的技术现在已经非常成熟,技术不会有大的变化,目前的改进主要是开发更高磁密度的永磁体,更理想的振膜材料以及设计。同时技术的成熟也使其相应的成本较低,更具竞争力,市场普及度很高。

这里要特别说明一下所谓的:生物振膜耳机,也是动圈式的一种

一种叫做asetbactar的细菌在吃了糖类后会产生非常细的纤维素(cellulose)。利用最先进的生物技术花上大约2天的时间,将这种生物纤维培养至2mm的厚度。然后,使其脱水,再利用制作振膜的金属磨具将其压缩至20μm的厚度。于是,生物振膜就这样诞生了。这种振膜具有与铝膜和钛膜相匹敌的音速(刚性/密度的平方根),又具有纸特有的纤细,因此能够再现极为自然的声音。   

音频知识库:耳机驱动单元全面解析
SONY MDR E888特写

生物膜耳机的音色特点:高频高而不尖,给人很宽广的感觉,细节部分的解析力非常之高,居然一些用大耳机才能听仔细的细节部分在生物震膜的耳机上也能听得非常清楚,中频部分属于非常耐听型的,不会因为长时间听而感到疲倦的感觉,人声部分的包围感营造得非常透彻。另一特点就是当在许多乐器、人声于一起时,大动态的表现丝毫不会混乱,你仍可以对各种乐器、人声听得非常清楚,这就是生物震膜的耳机最最难得的地方啦。 由于振膜的主要作用是震动,影响震动动态表现的一个是弹性,另一个是惯性。刚度足的振膜,弹性表现呈线性的振膜其震动动态必定比较好,可以合理的还原/回放声音信号,其音频表现也会平衡;而重量轻的振膜,其运动惯性必定比较小,所以至其声音的清晰度/细节部分会表现得很好。采用生物材料设计出来的振膜比较轻,而轻的振膜有利于清晰度的提高和高频段的还原,其代表耳塞是SONY MDR E888。

静电式:静电式又称为静电平面振膜


静电式耳机原理图

静电式又称为静电平面振膜,是将导电体(一般为铝)线圈直接电镀或印刷在很薄的塑料膜上,精确到几微米级(目前STAX新一代的静电耳机振膜已精确到1.35微米);将其置于强静电场中(通常由直流高压发生器和固定金属片(网)组成),信号通过线圈的时候切割电场,带动振膜振动发声。优点是线性好、失真小(电场比磁场均匀),高频及瞬态反应快(振膜质量较轻)。缺点是需要专门的驱动电路和静电发生器、低频反应差、价格昂贵。效率也不高。

动铁式:也叫衔铁式或者平衡电枢式,其换能原理与动圈式单元有些相似,常见于高端耳机


动铁式耳机原理图

动铁式,也叫衔铁式或者平衡电枢式(BALANCED ARMATURE)耳塞,其换能原理与动圈式单元有些相似,都是靠音圈在永磁体的作用下带动微型振膜发出声音,但有别于动圈式单元将振膜直接连在音圈上,动铁式单元的音圈是绕在一个称为“平衡电枢”的精密铁片上,它处于磁场中央,会在永磁体的磁场作用下做振动,这个平衡电枢的振动会通过一个精密结构的连接棒传导到微型振膜的中心点,这样带来的好处是可以把耳塞做的很小,带来更高的灵敏度和优异的瞬态响应,并且声音的密度感要好于动圈式,但动铁式也有一个缺点,那就是频响范围很窄,听感上可能比较细腻平滑,但两端的延伸和动态层次就有些力不从心。

压电式:优点是效率高、频率高


电压式耳机原理图

利用压电陶瓷的压电效应发声。优点:效率高、频率高。缺点:失真大、驱动电压高、低频响应差,抗冲击力差。此类耳机多用于电报收发使用,现基本淘汰。少数耳机采用压电陶瓷作为高音发声单元。

气动式:采用气泵和气阀控制气流,直接控制气压和流量,使得空气发生振动


气动式的代表作是铁三角的AD900

采用气泵和气阀控制气流,直接控制气压和流量,使得空气发生振动。有时候气阀改用大功率扬声器来代替。飞机上常用这样的耳机,此耳机实际上只是个导气管。优点是无电驱动,无限制并联、效率高。缺点是失真大、频响窄,有噪音。

电磁式:主要由磁铁、线圈、导磁较好的振动膜和外壳等组成

各有经典代表作!耳机驱动单元全面解析
磁式耳机原理图 

电磁式耳机和耳塞的结构如图1所示。它主要由磁铁、线圈、导磁较好的振动膜和外壳等组成。线圈套在磁铁上。磁铁的磁性对振动膜有一定的吸引力,使振动膜平时就略有弯曲。当音频电流通过线圈时,电磁铁产生交变磁场,该磁场会使总磁场加强或减弱,振动膜在磁场吸力的作用下,会得到进一步弯曲或放松产生振动,使周围的空气发生相应的振动,从而发出声音。电磁式耳机有高阻抗和低阻抗两种,而电磁式耳塞也有高阻抗和伸阻抗两种。

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