揭開耳機的奧秘------耳機的機理、結構和種類

[danny.tw]

揭開耳機的奧秘

揭開耳機的奧秘
------耳機的機理、結構和種類
( 上 篇 )

耳機是一種電聲換能裝置－－它是將電信號轉換為聲音信號並佩帶在頭上或插在耳中的一種聽音設備。與揚聲器不同的是耳機的作用是在一個小的空穴內造成聲壓, 揚聲器則是向自由空間輻射聲能。耳機基本工作於 20Hz－ 20KHz 的人耳可聞的頻段, 這是聲學中從頻率零點幾赫茲的次聲到幾千兆赫的特超聲中極為有限的區域。但即使是這樣一個狹窄的頻段, 其高端頻率也比低端頻率高出 1000 倍。如果將這個 1000/1 的比值放在一個等效的抗性網絡設計中考慮，就會發現問題十分嚴重, 這使得優質耳機的設計和製造變得十分困難。

耳機的設計，必須在機‐電‐聲這三種系統裡存在的諸多矛盾因素中採用折衷的辦法，因而在一定程度上帶有許多設計者主觀的思路和技巧, 這就形成了不同品牌、不同類型耳機的「個性」和「味道」。

許多朋友問「哪種耳機是最好聽的?」 這同問「哪種頻果是最好吃的?」的一樣, 常常使回答者無所適從。話雖這麼說，但是如果對各種耳機的機理、結構、特性先有個基本的瞭解，還是可以作到心中有數，然後根據自己的用途，再有目的的在眾多的耳機品牌和型號中有選擇的試聽, 也就不難找到自己滿意的產品了。

一、耳機中的電聲換能器

耳機中的電聲換能器, 通常稱作為「發聲單元」。它是耳機的核心部件, 基本決定著耳機的整體性能。耳機中一般採用單一類型的電聲換能器，但是為了展寬聲音重放的頻率、提高其性能, 也有個別的耳機採用兩種電聲換能器的。 只是這種耳機由於結構比較複雜、更由於新型振膜材料和技術的不段出現, 目前這種雙電聲換能器的結構在當前耳機製造中已不多採用。

下面我們就對耳機中常用的動鐵式電聲換能器、 動圈式電聲換能器、 等磁式電聲換能器、 壓電式電聲換能器、 靜電式電聲換能器、 駐極體電聲換能器以及利用這些換能器所製造的耳機分別予以介紹:

1、 動鐵式電聲換能器

動鐵式電聲換能器也稱電磁式電聲換能器。它是隨著電話的發明而出現的, 當時主要用於電話通訊的受話器中。

動鐵式電聲換能器主要由固定於磁路中的線圈和可振動的鐵磁性部件所組成。交變電流通過線圈時產生交變磁場, 使磁路中鐵質膜片或銜鐵的受力發生變化而振動發聲。

最早的實用動鐵式電聲換能器是電話的發明人A·G·貝爾和T·沃森1876年所設計的。1930年美國的 W·C·瓊斯和英國的 J·S·P·羅伯頓等人研製出了經過均衡的改進性受話器，他們通過對磁性原理的充分理論研究並採用最新的磁性材料, 將驅動系統完全更新, 使得性能得到很大改善, 頻響可達200Hz‐3500Hz, 從而取代了貝爾的設計。

順便提一下的是, 早在1860年, 德國的年輕物理學家賴斯曾發明了一種奇妙的裝置。他將木質的啤酒筒削成耳朵的形狀, 在端口處蒙上豬腸的薄膜, 並加上磁石和導線作成送話器, 它可以使聲音變為電流的波動。受話器則是固定在小提琴上的繞有線圈的鋼針, 據說這個裝置可以傳遞簡單的語句。他將這個裝置稱作為電話「Telephone」。另一件事是, 在貝爾和沃森發明的動鐵式受話器僅三個小時之後, 伊萊沙· 格雷也提出了類似的專利申請。但就是這三小時之差人們卻只記住了貝爾和沃森, 格雷卻被人們永遠的遺忘了。

1950年出現的環型銜鐵電聲換能器, 摒棄了鐵磁性平面園盤振膜, 開始採用環狀銜鐵和粘接其上的非鐵磁性園錐形輻射體來降底質量, 使輸出聲壓提高了5分貝, 頻率範圍擴展了約500Hz, 這一成功設計使動鐵式電聲換能器的性能達到了極致。


高阻抗的動鐵式耳機是最早應用於聆聽無線電廣播的工具, 它的靈敏度極高, 幾十微瓦的功率就可驅動它。上世記五十年代前後用於礦石收音機的品種, 其阻抗有2000毆姆和4000歐姆兩種, 頻響為200Hz‐3200Hz。後來為了和驅動功率較大的電子管和半導體收音機配接, 產生了300歐姆到800歐姆的中阻抗動鐵式耳塞以及8歐姆到16歐姆的低阻抗動鐵式耳塞。

動鐵式耳機的頻率響應很窄, 最優良的產品, 頻響也只能達到150Hz‐4000 Hz, 這是由於它的阻抗特型呈「電感性」並且鐵質振膜或銜鐵也較重的緣固。隨著電聲技術的發展它已逐漸消聲匿跡。但是動鐵式耳機在早期的通訊、無線電廣播、甚至測量技術中都得到過極為廣泛的應用, 它在設計中運用的基本分析方法和運動方程, 引出的機電類比、頻率均衡、機械系統阻尼的原理, 對以後高性能耳機的發展都起了十分重要的作用, 所以我們不應當忘記它。

2、 動圈式電聲換能器

動圈式電聲換能器也稱電動式電聲換能器, 它是利用在恆定磁場中通電導體能產生位移的原理製成的。

與動鐵式電聲換能器不同的是, 動圈式電聲換能器的振動部分是由纏繞在骨架上的絕緣導線所組成的線圈(稱作音圈)帶動振膜而發聲的, 它完全是一個非鐵磁性部件, 而前者的振動部件則是磁路中的可振動部分(鐵磁性振膜或銜鐵), 是鐵磁性部件。這就是「動鐵式」和「動圈式」叫法的由來。

動圈式電聲換能器結構上的變化, 帶來了性能上質的變化 。首先是它的振膜可以採用質量很輕、韌性很大、剛性很好的高分子簿膜來製造，這樣可使振動系統的軸向恢復順性很大, 使其擺幅大大增加, 而不會產生過量的機械或磁性非線性失真。 二是它的阻抗特性基本呈「電阻性」, 這就使音頻信號的高頻率端和低頻率端都能比較容易地得到無失真的重放。

另外動圈式電聲換能器可以承受較大的驅動功率, 磁路間隙也可以作的較大, 對公差的要求較低, 整體結構簡單而牢靠, 易於批量生產, 所有這些優點使它成為耳機製造業中首選且用量最大的品種。

1937年德國的拜亞動力公司推出了世界上第一副動圈式立體聲耳機，即充滿傳奇色彩的DT48錄音室監聽耳機，DT48一出現，就因其優異的品質被歐州各國電台及錄音棚廣為使用。

在以後的幾十年裡動圈式電聲換能器主要圍繞著磁路材料和結構、振膜材料和結構以及機電類比的聲學設計這三個方面進行了研究和改進。隨之耳機的檢測技術也得到很大發展, 形成了「測試標準」。

3 、等磁式電聲換能器

等磁式電聲換能器和動圈式電聲換能器的原理是相同的, 只是結構不同。等磁式電聲換能器使用的是平面振模, 在平面振膜上敷有多組音圈線, 並有磁路與之一一對應。由於振膜薄而輕, 又能得到全面驅動, 所以頻帶較寬, 高頻特性和瞬態特性好, 失真也低, 但靈敏度較普通動圈式電聲換能器低。

當中的音頻信號源左端為正時其磁場的方問、音圈中電流的方向, 振膜運動的方向示中。振膜運動的方向我們是通過「弗萊明左手定則」(也稱「電動機定則」)確定出來的, 當音頻信號源右端為正時, 振膜的方向與圖中相反, 這樣當音頻信號的大小、方向不斷變化時, 振膜就隨之不停的振動, 其幅度與音頻電流大小相關。的圈只出了1匝時的情況, 實際製作的音圈為了增加靈敏度都是多匝結構。

使用等磁式電聲換能器的耳機國內外都曾生產過，雖然有些優點, 但終因磁路複雜,、體積稍大、靈敏度過低等因素的制約已是「昨日黃花」了。

4、 壓電式電聲換能器

壓電式電聲換能器是利用某些天然晶體的壓電效應而製作的換能器。所謂的壓電效應就是當壓電晶體產生形變時, 兩相對的特殊表面之間就會出現電動勢。 由於壓電效應是可逆的, 當有交變電壓加在其上時晶片就會隨之振動。前者我們稱為「正壓電效應」, 後者我們稱為「逆電壓效應」。 最常用的天然晶體材料是「酒石酸鉀鈉(羅謝爾鹽)、石英、 磷酸雙氫氨(ADP)和硫化鋰。材料的壓電性能也可以用人工的方法產生, 那就是在具有鐵電多晶材料上施加一個靜電化場, 這類材料中常用的是鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛。

壓電式電聲換能器的阻抗一般在9000歐姆到3.5千歐姆之間, 最大承受功率0.1W左右。為了提高靈敏度和更好的與驅動介質相耦合, 有的產品使用多層晶片的結構。

壓電式電聲換能器的優點是性能穩定, 耐高溫、高濕, 過電壓性能好, 結構也很簡單。新型的壓電材料(如聚偏氟乙烯薄膜) 的研究也使其線性、失真等指標有很大提升。但由於阻抗太高, 在耳機中的應用未形成主流。

5、靜電式電聲換能器

靜電式電聲換能器也稱電容式電聲換能器。它利用靜電場的引斥力推動膜片發聲。

前後極板一般用剛性很好的金屬簿片製造, 以免產生共振。為了透聲, 片上衝制有均勻分佈的園孔, 園孔的面積一般占極板總面積的30%左右 。振膜採用高分子聚合物薄膜, 膜的一面或兩面使用真空鍍膜工藝鍍有鋁、銀、金或者半導體材料的導電層, 振膜厚度從1.35微米到10微米之間。振膜與前後極板的距離在0.2毫米到0.75毫米之間。工作時振膜上加有100V到580V的極化電壓, 使之載上正電荷或者負電荷。當前、後極板加上音頻信號電壓時, 極板電場與振膜電場發生作用致使膜片振動發聲。

靜電式電聲換能器的優點是, 振膜可以做得既大又輕, 整個表面都能被激勵, 同時空氣負荷的輻射阻在相當程度上滿足了共振所需要的阻尼, 這使它的瞬態特性極為出色。

靜電式電聲換能器有單極板(單向驅動)和雙極板(雙向驅動)兩種結構, 後者需用推挽式放大器驅動。由於靜電力和作用距離的平方成反比(庫侖定律), 因此前者振膜的運動是非線性的。而雙極板的結構則克服了這個缺點。這是因為後者是在前後極板之間施以相位相差180度的驅動電壓, 這樣當振膜和一端的極板推力減小時, 另一端的引力卻增加了, 兩者基上抵消掉了的緣固。引起振膜非線性失真的另一個原因是, 振膜表面電荷分佈的不均勻性。雖然振膜上的電壓是通過一個很大的電阻施加上的, 當振膜彎曲偏轉時電荷亦然會一次次的重新分佈, 當串聯於極化電壓與振膜之間的電阻R和靜電換電聲換能器的電容Co構成的時間常數遠大於振膜的基頻振動週期時, 這種振膜表面電荷分佈的不均勻情況會有所改善。

理論上雖這樣認為, 但是設計和製作良好的用於耳機中的靜電式電聲換能器的失真仍可控制的非常低, 只是難度非常大。目前深入掌握這項技術的廠家亦然不多, 這也是靜電式耳機產量不大的原因之一。由於大面積振膜的靜電揚聲器如上所述的情況還會嚴重的多,它的聲音重放質量就遠不如靜電耳機來的優越了。

靜電式電聲換能器的振膜在使用過程中會逐漸變得鬆弛, 使靈敏度下降。裝配時都施加有一定的予應力(漲力)。靜電式電聲換能器的阻抗特性呈容性。

6、 駐極體電聲換能器

駐極體電聲換能器是一種特殊的靜電式電聲換能器。現代的技術可以在高溫、高壓下通過電暈放電或電子轟擊, 使某些介質(駐極體材料)在外電場去除以後仍能保持電荷。與之相對的我們比較熟悉的例子是, 某些鐵磁性材料(永磁材料)當被充磁後亦然能保留其磁性, 我們稱其為永磁體。 因此, 駐極體也被人們常稱為「永電體」。其實「永磁」也好, 「永電」也好, 只是相對而言, 隨著使用時間或者外界條件的變化它們也會「失磁」、「失電」。也就是說它們的這種性能也是有「壽命」的。優良的駐極體使用壽命可達15年以上。

駐極體電聲換能器同靜電式電聲換能器一樣, 也有單極板和雙極板之分, 用於耳機中的品種多為雙極板設計, 以取得良好的性能。另外電荷駐極的方法也有兩種, 一種是將電荷直接「駐入」在振膜上, 這種結構簡單、成本低

不足的是這種方法駐極體材料和振膜合為一體, 很難滿足聲學方面的要求, 只是在一些普通的耳機或送話器中應用。另一種振膜與駐極體是分開的, 電荷是「駐入」在背極上, 但是這種方法工藝要求高, 不過性能卻能滿足聲學設計上的要求。

駐極體電聲換能器的靈敏度高, 頻率響應平直寬闊, 瞬態持性好, 也不易受外界電磁場干擾, 但是內阻很高, 一般用作耳機中的高頻單元, 並需要配製升壓變壓器使用。

駐極體的研究方興未艾, 其關鍵技術是駐極工藝。駐極體的性質來源於內部的極化和外部的電子注入, 內部極化是在外電場作用下材料平衡電荷的重新分佈。而外部電子注入, 則是在電介質中不同深度的陷阱裡「添加」載流子的結果, 駐極體的性能主要取決於後者, 其工藝目前仍是一個研究的熱門話題。

以上我們對耳機中的各類電聲換能器作了一個綜合的描述和回顧, 但目前用於高保真優質耳機的電聲換能器不過是動圈式、靜電式、駐極體式這三種。雖然電聲換能器在整體耳機中佔有舉足輕重的作用, 但它並不是耳機的全部。下篇我們將對耳機的整體結構和常見的種類作一些實用性的介紹。

轉載 內地網站 耳機大家談

[Edinman]

又學到一課，感謝分享

[oScARSr]

轉貼要寫原網址來源吧...

title也要加上是轉貼才對吧！

[evangelion]

謝謝樓主!!!!

好深奧...一堆看不懂......

[danny.tw]

轉貼要寫原網址來源吧...

title也要加上是轉貼才對吧！

不好意思，這也是友人轉寄給我的，所以我不知道網址。

[karuito]

轉貼要寫原網址來源吧...

title也要加上是轉貼才對吧！

不好意思，這也是友人轉寄給我的，所以我不知道網址。

耳机大家