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电声换能器应用之——耳机篇


换能器是一种能量转换器件,电声换能器顾名思义就是电能与机械能之间相互转换的一种器件。振动产生声音。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。换能器的特性取决与选材和制作工艺,同样尺寸外形的换能器的性能和使用寿命是千差万别的,耳机亦是如此。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。

与扬声器不同的是,耳机的作用是在一个小的空穴内产生声压,扬声器则是在自由空间辐射声能。耳机的基本工作于人耳的可听频段即20Hz~20kHz,在声学频段中,这是一个有限的区域,但即使是这样一个狭窄的频段,其设计必须在机、电、声这三个系统中存在的诸多矛盾因素中取折衷处理,在耳机的设计中一定程度上带有许多设计者的主观思路和技巧,因而造就了不同品牌、不同类型。 


耳机的分类有很多种,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;按照工作特性来区分则可以分为动圈式、动铁式、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。 

本次主要以工作特性进行分类探讨,主要包含动圈式、动铁式、静电式、等磁式和压电式耳机。

 

一、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,也称电动式电声换能器,它是利用在恒定磁场中通电导体能产生位移的原理制成的。图3是动圈式电声换能器的原理图。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。图4是动圈式耳机发声单元的典型结构。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。 


二、动铁式耳机的结构和工作方式,与常规的动圈式耳机完全不同。动铁式电声换能器主要由固定于磁路中的线圈和可振动的铁磁性部件所组成。交变电流通过线圈时产生交变磁场, 使磁路中铁质膜片或衔铁的受力发生变化而振动发声。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,动铁式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。 


三、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。图中前后极板一般用刚性很好的金属簿片制造,以免产生共振。为了透声,片上冲制有均匀分布的圆孔,圆孔的面积一般占极板总面积的澳门威利斯人70856730% 左右。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。


四、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,等磁式电声换能器使用的是平面振模, 在平面振膜上敷有多组音圈线, 并有磁路与之一一对应。由于振膜薄而轻, 又能得到全面驱动, 所以频带较宽, 高频特性和瞬态特性好, 失真也低, 但灵敏度较普通动圈式电声换能器低。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。 


五、压电式耳机

压电式电声换能器是利用某些天然晶体的压电效应而制作的换能器。所谓的压电效应就是当压电晶体产生形变时,两相对的特殊表面之间就会出现电动势。由于压电效应是可逆的,当有交变电压加在其上时晶片就会随之振动。压电式电声换能器的阻抗一般在澳门威利斯人7085673500 欧姆到9000 欧姆之间,最大承受功率0.1W 左右。为了提高灵敏度和更好的与驱动介质相耦合,有的产品使用多层晶片的结构。

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压电式电声换能器的优点是性能稳定, 耐高温、高湿,过电压性能好,结构也很简单。新型的压电材料(如聚偏氟乙烯薄膜) 的研究也使其线性、失真等指标有很大提升。但由于阻抗太高,在耳机中的应用未形成主流。 

耳机中一般采用单一类型的电声换能器,但是为了展宽声音重放的频率、提高其性能澳门威利斯人708567, 也有个别的耳机采用两种电声换能器的。只是这种耳机由于结构比较复杂、更由于新型振膜材料和技术的不断出现, 目前这种双电声换能器的结构在当前耳机制造中已不多采用,在此也不做过多介绍。


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