揭开耳机的奥秘的面纱 - 微型电声器件设计室 - 声学楼论坛

揭开耳机的奥秘面纱
耳机是一种电声换能装置――它是将电信号转换为声音信号并佩带在头上或插在耳中的一种听音设备。与扬声器不同的是耳机的作用是在一个小的空穴内造成声压, 扬声器则是向自由空间辐射声能。耳机基本工作于 20Hz― 20KHz 的人耳可闻的频段, 这是声学中从频率零点几赫兹的次声到几千兆赫的特超声中极为有限的区域。但即使是这样一个狭窄的频段, 其高端频率也比低端频率高出 1000 倍。如果将这个 1000/1 的比值放在一个等效的抗性网络设计中考虑，就会发现问题十分严重, 这使得优质耳机的设计和制造变得十分困难。
耳机的设计，必须在机‐电‐声这三种系统里存在的诸多矛盾因素中采用折衷的办法，因而在一定程度上带有许多设计者主观的思路和技巧, 这就形成了不同品牌、不同类型耳机的“个性”和“味道”。
许多朋友问“哪种耳机是最好听的?” 这同问“哪种频果是最好吃的?”的一样, 常常使回答者无所适从。话虽这么说，但是如果对各种耳机的机理、结构、特性先有个基本的了解，还是可以作到心中有数，然后根据自己的用途，再有目的的在众多的耳机品牌和型号中有选择的试听, 也就不难找到自己满意的产品了。

一、耳机中的电声换能器

耳机中的电声换能器, 通常称作为“发声单元”。它是耳机的核心部件, 基本决定着耳机的整体性能。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, 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段出现, 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。
下面我们就对耳机中常用的动铁式电声换能器、动圈式电声换能器、等磁式电声换能器、压电式电声换能器、静电式电声换能器、驻极体电声换能器以及利用这些换能器所制造的耳机分别予以介绍:

1、动铁式电声换能器

动铁式电声换能器也称电磁式电声换能器。它是随着电话的发明而出现的, 当时主要用于电话通讯的受话器中。图1是动铁式电声换能器原理图。

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。
最早的实用动铁式电声换能器是电话的发明人A·G·贝尔和T·沃森1876年所设计的。1930年美国的 W·C·琼斯和英国的 J·S·P·罗伯顿等人研制出了经过均衡的改进性受话器，他们通过对磁性原理的充分理论研究并采用最新的磁性材料, 将驱动系统完全更新, 使得性能得到很大改善, 频响可达200Hz‐3500Hz, 从而取代了贝尔的设计。
顺便提一下的是, 早在1860年, 德国的年轻物理学家赖斯曾发明了一种奇妙的装置。他将木质的啤酒筒削成耳朵的形状, 在端口处蒙上猪肠的薄膜, 并加上磁石和导线作成送话器, 它可以使声音变为电流的波动。受话器则是固定在小提琴上的绕有线圈的钢针, 据说这个装置可以传递简单的语句。他将这个装置称作为电话“Telephone”。另一件事是, 在贝尔和沃森发明的动铁式受话器仅三个小时之后, 伊莱沙· 格雷也提出了类似的专利申请。但就是这三小时之差人们却只记住了贝尔和沃森, 格雷却被人们永远的遗忘了。
1950年出现的环型衔铁电声换能器, 摒弃了铁磁性平面园盘振膜, 开始采用环状衔铁和粘接其上的非铁磁性园锥形辐射体来降底质量, 使输出声压提高了5分贝, 频率范围扩展了约500Hz, 这一成功设计使动铁式电声换能器的性能达到了极致。

图2是利用动铁式电声换能器制成的耳机, 被称为动铁式耳机或耳塞。

高阻抗的动铁式耳机是最早应用于聆听无线电广播的工具, 它的灵敏度极高, 几十微瓦的功率就可驱动它。上世记五十年代前后用于矿石收音机的品种, 其阻抗有2000殴姆和4000欧姆两种, 频响为200Hz‐3200Hz。后来为了和驱动功率较大的电子管和半导体收音机配接, 产生了300欧姆到800欧姆的中阻抗动铁式耳塞以及8欧姆到16欧姆的低阻抗动铁式耳塞。
动铁式耳机的频率响应很窄, 最优良的产品, 频响也只能达到150Hz‐4000 Hz, 这是由于它的阻抗特型呈“电感性”并且铁质振膜或衔铁也较重的缘固。随着电声技术的发展它已逐渐消声匿迹。但是动铁式耳机在早期的通讯、无线电广播、甚至测量技术中都得到过极为广泛的应用, 它在设计中运用的基本分析方法和运动方程, 引出的机电类比、频率均衡、机械系统阻尼的原理, 对以后高性能耳机的发展都起了十分重要的作用, 所以我们不应当忘记它。

2、动圈式电声换能器

动圈式电声换能器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。

与动铁式电声换能器不同的是, 动圈式电声换能器的振动部分是由缠绕在骨架上的绝缘导线所组成的线圈(称作音圈)带动振膜而发声的, 它完全是一个非铁磁性部件, 而前者的振动部件则是磁路中的可振动部分(铁磁性振膜或衔铁), 是铁磁性部件。这就是“动铁式”和“动圈式”叫法的由来。
动圈式电声换能器结构上的变化, 带来了性能上质的变化。首先是它的振膜可以采用质量很轻、韧性很大、刚性很好的高分子簿膜来制造，这样可使振动系统的轴向恢复顺性很大, 使其摆幅大大增加, 而不会产生过量的机械或磁性非线性失真。二是它的阻抗特性基本呈“电阻性”, 这就使音频信号的高频率端和低频率端都能比较容易地得到无失真的重放。

图4是动铁式耳机和动圈式耳机的阻抗特性对照图

图5是几种动圈耳机的阻抗特性图。

( 图 5 )

另外动圈式电声换能器可以承受较大的驱动功率, 磁路间隙也可以作的较大, 对公差的要求较低, 整体结构简单而牢靠, 易于批量生产, 所有这些优点使它成为耳机制造业中首选且用量最大的品种。

图6是动圈式耳机发声单元的典型结构。

1937年德国的拜亚动力公司推出了世界上第一副动圈式立体声耳机，即充满传奇色彩的DT48录音室监听耳机，DT48一出现，就因其优异的品质被欧州各国电台及录音棚广为使用。
在以后的几十年里动圈式电声换能器主要围绕着磁路材料和结构、振膜材料和结构以及机电类比的声学设计这三个方面进行了研究和改进。随之耳机的检测技术也得到很大发展, 形成了“测试标准”。

3 、等磁式电声换能器

等磁式电声换能器和动圈式电声换能器的原理是相同的, 只是结构不同。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。

图7是等磁式电声换能器的原理图。

当图7(a)中的音频信号源左端为正时其磁场的方问、音圈中电流的方向, 振膜运动的方向示于图7(b)中。振膜运动的方向我们是通过“弗莱明左手定则”(也称“电动机定则”)确定出来的, 当图7(a)中的音频信号源右端为正时, 振膜的方向与图中相反, 这样当音频信号的大小、方向不断变化时, 振膜就随之不停的振动, 其幅度与音频电流大小相关。图中的线圈只画出了1匝时的情况, 实际制作的音圈为了增加灵敏度都是多匝结构。
使用等磁式电声换能器的耳机国内外都曾生产过，虽然有些优点, 但终因磁路复杂,、体积稍大、灵敏度过低等因素的制约已是“昨日黄花”了。

4、压电式电声换能器

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。前者我们称为“正压电效应”, 后者我们称为“逆电压效应”。最常用的天然晶体材料是“酒石酸钾钠(罗谢尔盐)、石英、磷酸双氢氨(ADP)和硫化锂。材料的压电性能也可以用人工的方法产生, 那就是在具有铁电多晶材料上施加一个静电化场, 这类材料中常用的是钛酸钡和锆钛酸铅。

图8是压电式电声换能器的原理图。

压电式电声换能器的阻抗一般在9000欧姆到3.5千欧姆之间, 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。
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。

5、静电式电声换能器

静电式电声换能器也称电容式电声换能器。它利用静电场的引斥力推动膜片发声。
图8是静电式电声换能器的原理图。

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园孔, 园孔的面积一般占极板总面积的30%左右。振膜采用高分子聚合物薄膜, 膜的一面或两面使用真空镀膜工艺镀有铝、银、金或者半导体材料的导电层, 振膜厚度从1.35微米到10微米之间。振膜与前后极板的距离在0.2毫米到0.75毫米之间。工作时振膜上加有100V到580V的极化电压, 使之载上正电荷或者负电荷。当前、后极板加上音频信号电压时, 极板电场与振膜电场发生作用致使膜片振动发声。
静电式电声换能器的优点是, 振膜可以做得既大又轻, 整个表面都能被激励, 同时空气负荷的辐射阻在相当程度上满足了共振所需要的阻尼, 这使它的瞬态特性极为出色。
静电式电声换能器有单极板(单向驱动)和双极板(双向驱动)两种结构, 后者需用推挽式放大器驱动。由于静电力和作用距离的平方成反比(库仑定律), 因此前者振膜的运动是非线性的。而双极板的结构则克服了这个缺点。这是因为后者是在前后极板之间施以相位相差180度的驱动电压, 这样当振膜和一端的极板推力减小时, 另一端的引力却增加了, 两者基上抵消掉了的缘固。引起振膜非线性失真的另一个原因是, 振膜表面电荷分布的不均匀性。虽然振膜上的电压是通过一个很大的电阻施加上的, 当振膜弯曲偏转时电荷亦然会一次次的重新分布, 当串联于极化电压与振膜之间的电阻R和静电换电声换能器的电容Co构成的时间常数远大于振膜的基频振动周期时, 这种振膜表面电荷分布的不均匀情况会有所改善。
理论上虽这样认为, 但是设计和制作良好的用于耳机中的静电式电声换能器的失真仍可控制的非常低, 只是难度非常大。目前深入掌握这项技术的厂家亦然不多, 这也是静电式耳机产量不大的原因之一。由于大面积振膜的静电扬声器如上所述的情况还会严重的多,它的声音重放质量就远不如静电耳机来的优越了。

静电式电声换能器的振膜在使用过程中会逐渐变得松驰, 使灵敏度下降。装配时都施加有一定的予应力(涨力)。静电式电声换能器的阻抗特性呈容性。

6、驻极体电声换能器

驻极体电声换能器是一种特殊的静电式电声换能器。现代的技术可以在高温、高压下通过电晕放电或电子轰击, 使某些介质(驻极体材料)在外电场去除以后仍能保持电荷。与之相对的我们比较熟悉的例子是, 某些铁磁性材料(永磁材料)当被充磁后亦然能保留其磁性, 我们称其为永磁体。因此, 驻极体也被人们常称为“永电体”。其实“永磁”也好, “永电”也好, 只是相对而言, 随着使用时间或者外界条件的变化它们也会“失磁”、“失电”。也就是说它们的这种性能也是有“寿命”的。优良的驻极体使用寿命可达15年以上。
驻极体电声换能器同静电式电声换能器一样, 也有单极板和双极板之分, 用于耳机中的品种多为双极板设计, 以取得良好的性能。另外电荷驻极的方法也有两种, 一种是将电荷直接“驻入”在振膜上, 这种结构简单、成本低。(图10) 就是这种结构的驻极体电声换能器的原理图。

不足的是这种方法驻极体材料和振膜合为一体, 很难满足声学方面的要求, 只是在一些普通的耳机或送话器中应用。另一种振膜与驻极体是分开的, 电荷是“驻入”在背极上, 但是这种方法工艺要求高, 不过性能却能满足声学设计上的要求。
驻极体电声换能器的灵敏度高, 频率响应平直宽阔, 瞬态持性好, 也不易受外界电磁场干扰, 但是内阻很高, 一般用作耳机中的高频单元, 并需要配制升压变压器使用。
驻极体的研究方兴未艾, 其关键技术是驻极工艺。驻极体的性质来源于内部的极化和外部的电子注入, 内部极化是在外电场作用下材料平衡电荷的重新分布。而外部电子注入, 则是在电介质中不同深度的陷阱里“添加”载流子的结果, 驻极体的性能主要取决于后者, 其工艺目前仍是一个研究的热门话题。

以上我们对耳机中的各类电声换能器作了一个综合的描述和回顾, 但目前用于高保真优质耳机的电声换能器不过是动圈式、静电式、驻极体式这三种。虽然电声换能器在整体耳机中占有举足轻重的作用, 但它并不是耳机的全部。

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