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電聲換能器應用之——耳機篇


換能器是一種能量轉換器件,電聲換能器顧名思義就是電能與機械能之間相互轉換的一種器件。振動產生聲音。耳機是一種通過電聲轉換原理,將音源輸出的電信號轉為人耳能聽到的聲音的音響產品。換能器的特性取決與選材和制作工藝,同樣尺寸外形的換能器的性能和使用壽命是千差萬別的,耳機亦是如此。耳機的發展歷史來看,最早是在1924年由德國科學家Eugen Beyer將電動換能器技術應用在頭戴式小型揚聲器上,經過技術的不斷發展與成熟最終形成了今日的耳機。

與揚聲器不同的是,耳機的作用是在一個小的空穴內產生聲壓,揚聲器則是在自由空間輻射聲能。耳機的基本工作于人耳的可聽頻段即20Hz~20kHz,在聲學頻段中,這是一個有限的區域,但即使是這樣一個狹窄的頻段,其設計必須在機、電、聲這三個系統中存在的諸多矛盾因素中取折衷處理,在耳機的設計中一定程度上帶有許多設計者的主觀思路和技巧,因而造就了不同品牌、不同類型。 


耳機的分類有很多種,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;按照工作特性來區分則可以分為動圈式、動鐵式、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的深入發展,還出現了主動降噪耳機與無線耳機,大大增強了耳機在戶外環境下的適應能力。 

本次主要以工作特性進行分類探討,主要包含動圈式、動鐵式、靜電式、等磁式和壓電式耳機。

 

一、目前,絕大部分頭戴式耳機都采用動圈式的電聲轉換工作原理。動圈式作為最早運用在耳機上的電聲轉換方式,也稱電動式電聲換能器,它是利用在恒定磁場中通電導體能產生位移的原理制成的。圖3是動圈式電聲換能器的原理圖。結構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動下帶動振膜發聲。圖4是動圈式耳機發聲單元的典型結構。動圈式耳機的工作效率較高,理論上振膜也就是驅動單元的尺寸越大,性能就越出色。 


二、動鐵式耳機的結構和工作方式,與常規的動圈式耳機完全不同。動鐵式電聲換能器主要由固定于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。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。根據這樣的結構可以知道,只需輕微的電信號就能導致動鐵單元發出聲音。因此,動鐵耳機擁有非常優秀的電聲轉換能力。


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,這也是動鐵技術沒能應用在頭戴式耳機的主要原因。


除了體積上的優勢,動鐵式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層次上表現非常出色。 


三、至于靜電式,由于制造技術含量與成本較高,靜電耳機的價格往往在萬元以上。圖中前后極板一般用剛性很好的金屬簿片制造,以免產生共振。為了透聲,片上沖制有均勻分布的圓孔,圓孔的面積一般占極板總面積的30% 左右。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,在電場力的驅動下帶動振膜發聲。由于靜電耳機需要將音頻信號轉化為數百伏的電壓信號,因此必須使用特殊的放大器才能驅動。


靜電耳機的結構相對于動圈耳機有著先天優勢,其中最為關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、瞬態響應更好與表現更細膩的聲音。另外,動圈耳機的振膜由于結構上的限制,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,可實現線性驅動。


四、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,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, 并有磁路與之一一對應。由于振膜薄而輕, 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。磁體集中在振膜的一側或兩側,振膜在其形成的磁場中振動。平面振膜耳機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。 


五、壓電式耳機

壓電式電聲換能器是利用某些天然晶體的壓電效應而制作的換能器。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。由于壓電效應是可逆的,當有交變電壓加在其上時晶片就會隨之振動。壓電式電聲換能器的阻抗一般在3500 歐姆到9000 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。但由于阻抗太高,在耳機中的應用未形成主流。 

耳機中一般采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, 也有個別的耳機采用兩種電聲換能器的。只是這種耳機由于結構比較復雜、更由于新型振膜材料和技術的不斷出現, 目前這種雙電聲換能器的結構在當前耳機制造中已不多采用,在此也不做過多介紹。


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