偽科普之耳機單元

如今,隨著人們大眾生活水平的提高,隨身的耳機早已不稀奇,無論是在地鐵公交還是食堂教室,處處都是塞著耳機聽音樂的人,而數碼電子類產品整體行業的發展,又進一步的導致了其更高的需求。不只是簡單的聽音,耳機的聲音品質的成了一些用戶的關注點,入門級的耳塞產品也往往無法滿足如今人們對于高音質的追求了。因此越來越多的人因此了解了HIFI和發燒的種種概念,因此,小馬我在此做一個很小白的科普,各位大佬們輕調戲,多批評指正。

說到耳機,最核心的東西自然是其聲音,而說到聲音,就不得不說到決定其聲音的發聲單元,它可以說是決定一副耳機好壞的最重要的部件之一,雖然說一些調音和其他的元件能改變聲音的取向,然而單元的素質和能力是卻是一副耳機的上限。

耳機的單元的專業性的術語叫做"drive"。在不同的頻響里一般可以將其劃分為低、中、高頻單元,它們之間各自有自己的的頻響范圍。不同的單元之間分的越細,聲音的解析度也就越高越細膩。普通的入耳式耳機的單元一般有一到四個個不等。單元越多,需要的工藝和設計水平也就越高,因而價格也會越來越高。雖然說奉為經典的許多單單元的耳機也有很棒的聲音,例如常說的“大四”Shure E4C和"小四"音美特ER4。但不得不提的是,現今的高端耳塞市場,有一種“堆單元之風”,比較常見的塞子,基本上都裝有三四個單元,而這些耳塞的價格也基本都在兩千以上。例如Shure se535,Westone W4R等。而作為高端奢侈品牌的JH Audio,它的旗下的Layla耳塞的單元數更是高達12個,當然也售價不菲(約一萬六),作為2015年旗艦產品,Layla的高、中、低頻各由4個單元負責,因此兩個耳塞就有了多達24個單元,不得不說,這就對各個頻段之間的銜接混合和外形設計有了很高的工藝需求,若沒有深厚的功底,是斷然沒法辦法做出好聽的聲音的

說回來談到單元,一般常見的耳機單元的分為以下三類——動圈單元、動鐵單元和靜電單元。

動圈式單元

動圈,又可以稱作Dynamic。目前大多數的耳機耳塞使用的都是動圈單元,從十塊一條的天橋Beats,到萬元級的高端耳機都能夠看到動圈單元的身影。尤其是開放式耳機和半開放式的耳機,基本上使用的都是動圈單元。因此,動圈耳機可以說是目前市面上占主流地位的耳機(大概60%以上),其原因在于,動圈式單元是一種現今技術相對比較成熟了的喇叭結構設計,除了應用在耳機產品上以外,各種喇叭和揚聲器的單元也都采用了相似的設計,應用及其廣泛。

動圈的工作原理類似于電動揚聲器,驅動單元也類似小型的動圈揚聲器,由處在永磁場中的纏繞成的圓柱體狀的漆包線圈與振膜相連,線圈在信號電流驅動下帶動振膜振動,振膜震動產生聲音。

通俗來說,它的基本原理就是我們中學物理學過的,閉合線圈在磁場中,磁通量的變化會有電流產生。電流經過“線圈”產生磁場,而磁場和位于底部的永磁材料相互作用,推動薄膜的振動,就產生聲音。單元的振膜是連接在“線圈”上,跟隨著一起同運動的,因而可以震動空氣,傳播聲音,實現由電轉聲的過程。

之所以稱之為動圈,實際上是一種形象的稱呼。振動是產生聲音的根本原因,那么如果要產生聲音,就必須要有振動源的存在,耳機內部的薄膜即振動源,又因為薄膜上附有導線圈,導線圈和薄膜整體作為振動源振動,故稱之為動圈。

既然動圈的核心部件是薄膜和線圈,那么和這些相關的一些參數也成為了耳機好壞的評價標準了。比如,電阻率(阻抗),靈敏度,響應頻率段等。而對振膜的設計要求則是質量越輕、剛性越好者為佳。

以下就是一般的單元以及振膜的結構和原理圖。



動圈用于耳機上最早出現于1937年。大多數的觀點是,拜亞動力出品了世界上第一副動圈耳機,這從拜亞動力這個名字就能看出來,beyerdynamic,dynamic就是動圈的意思。


我們平時使用的耳機基本都是動圈單元,可見動圈技術現今已經能比較成熟,10元一條的價格也能告訴我們,低端動圈耳機的成本并不高。而動鐵單元相對來說成本明顯要高一些,即使是入門級動鐵產品,價格至少也在三四百。當然,貴的動圈耳機自然也有,例如森海塞爾的現今的旗艦耳塞IE800,售價6000+

動圈耳機的優點在于,它的聲音更加接近于自然的聲音,也許動圈沒有像動鐵耳塞一樣精準漂亮的高中低三頻,解析人聲也不如動鐵,但是高端動圈帶來的高低兩個頻段的泛音是動鐵無法做到的。動圈的低頻和殘響都是動鐵的短板。你會發現,聽多了動圈就會覺得動鐵低頻殘。聲場窄。要說厚實中正,氣勢龐大的氛圍感和包圍感,還是大單元動圈耳機的絕對強項。


動鐵單元

談完了最普遍的動圈,我們來談談所謂的動鐵。動鐵耳機的鐵指的是,利用了電磁鐵產生交變磁場,其關鍵的振動部分是一個鐵片懸浮在電磁鐵前方,信號經過電磁鐵的時候會使電磁鐵磁場變化,從而使鐵片振動發聲的耳機。其正式準確的叫法應該是“平衡電樞”,索尼在當時就推出了很多“平衡電樞”的耳機,例如其著名的“XBA”系列。

在發聲過程上,動鐵耳塞和動圈其實是基本類似的,都是靠線圈在永磁場中的振動而發聲。而兩者之間最大的區別在于發聲單元的構造原理和位置有所不同。動鐵耳塞內部,音圈是繞在一個位于永磁場的中央被稱為“平衡銜鐵”的精密鐵片上。這塊鐵片在磁力的作用下帶動振膜發聲。動圈是直接帶動振膜,而動鐵是通過一個結構精密的連接棒傳導到一個微型振膜的中心點,從而產生振動并發聲。



就耳機單元而論,傳統的動圈耳塞無法將整個發音單元放入耳內,而動鐵式由于單元體積小得多,所以可以比較容易的放入耳道。能夠有效地降低入耳部分面積,因此聲音的效果也會更加的貼合,更加具有表現力。由于耳道的幾何結構要比耳廓簡單的多,并且動鐵耳塞使用的相對柔軟的硅膠套很好的貼合了耳道的類圓形,動鐵耳機就有了良好的隔音及防漏音效果。反觀動圈,它的單元的面積較大,并且在發聲的過程中需要比較多的的空間參與振動(所以動圈耳機都有透氣孔),也無法較好的控制漏音現象;而動鐵就可以有效降低入耳部分的面積,并且可以放入更深的耳道部分。因而動鐵耳機在隔音效果上也可以說是完勝動圈耳機。

但是,這種入耳式的構造也讓動鐵耳機只能做成封閉式,也是有利有弊吧。就像上文提到的,它還可以設計成多單元的耳機,從單單元到12單元,市面上的多單元動鐵如今已層出不窮。總的來說,這類耳機都擁有很高的靈敏度、瞬態表現和解析等特點,對音樂的動態、瞬間細節表現、聲音密度上都遠勝于動圈耳塞。

單單從聲音方面來說的話,動鐵跟動圈耳塞之前還是有著很大的區別的,比如動鐵單元的結構幾乎是個密閉的容器,僅需要很小的電流就可以驅動它,所以靈敏度方面也是動鐵耳機更占優勢。解析力一直是動鐵耳機很好的優勢,對于聲音細節的回放方面表現優異。而普遍動圈式結構耳機在細節的掌控上并沒有那么出色了。

另外,動圈耳機的單元的振動膜片一般都是通過膠水與導線圈相互粘合的,因此這里面受到的影響因素會比較多,每個單元也多多少少會存在一些個體上的差異,而且動圈單元會受周圍環境的溫度和濕度影響,頻響曲線可能會出現一些人耳可聽的變化,會對聽感有影響。而動鐵單元都是采用金屬材料,并通過高精密的模具制造而成,其精密度和制造工藝都更復雜,再加上耳塞的密封性設計,使得動鐵耳機的頻響曲線和整體聲音素質表現都更加穩定;在聽感上也不會產生變化。

由于隔音的緣故,動鐵耳機比較有助于保護聽力。并且極高的靈敏度使很小的音量也可以有不錯的表現,動鐵單元廣泛用于醫療、保健、航空、軍事等領域。這其中最常見的就是各類助聽器了。

不過動鐵自然也有其劣勢,受限于體積和密封式的設計,動鐵耳塞在聲場方面還是遠遠無法達到開放式動圈耳機的標準。另外,讓人詬病的還有動鐵耳機的鐵味,如何形容動鐵耳機的鐵味,可以說是機械的、干凈的、或者沒有太多感情的,舉個不太恰當的例子,動鐵的鼓音都是“梆梆梆”的,讓人感覺并不真實,而相比之下,動圈真實的多,也就是之前說的,更加接近自然。

簡單總結下來就是,動鐵的聲音凌厲,迅速,干凈。動圈飽滿,豐富,厚實。動鐵聽的是中高頻, 聽的是素質, 動圈聽的是中低頻, 聽的是聽感和氣勢,。

下圖展示的就是動鐵單元和耳機的構造



圈鐵結合

說到這里,大概會有人想問說,有沒有辦法結合動圈和動鐵的特點和優勢的耳機呢,答案自然是肯定的。現今,圈鐵結合的耳機儼然已成為各大HIFI廠商所追逐的熱點,其中最具有代表性的自然是大名鼎鼎的AKG K3003,K3這種動鐵+動圈的結合既保證動圈的樂感氛圍,也保證了動鐵的細膩解析,如果不考慮其高昂的價格的話,可以說是一種比較理想的的解決方案。


靜電式單元

最后說到靜電單元,對于靜電耳機,可能很多人聞所未聞,對于一般人來說,大概連動鐵耳機都不了解,更別說靜電了。

其實,靜電式耳機是現今各種耳機中,工作原理最獨樹一格的,它的動機其實很單純,為的只是要避免傳統振膜因物理極限而容易失真的缺點,所以他放棄了以線圈與磁針推動振膜的慣用做法,希望能尋找讓整張振膜平均且完整的受力方式,靜電耳機利用外接的升壓器,提供一個極高的電壓(達到近600V),導通于以“真空金屬蒸鍍”的特殊振膜上,使振膜上固定充滿正電荷,再將外來的聲音信號,通過一個反向器后,分別輸入到兩側的固定電極上,借著電荷之間的相互排斥相吸,來產生對振膜拉扯與推動的力量,這樣的好處是振膜受力非常均勻,加上與極板之間的距離非常接近,任何微小的信號都能轉化為驅動力,因而非常靈敏。此外,在振膜材質上也能有更多的選擇性,例如高分子聚合物振膜,不僅厚度極薄,質量也極輕,對耳機性能有著較大提升。

系統的說,靜電單元的原理是其振膜處于變化的電場中,由高直流電壓極化,靜電場發生變化,驅動振膜振動。單極化所需的電能由交流電轉化。振膜懸掛在由兩塊固定的金屬板(定子)形成的靜電場中,當音頻信號加載到定子上時,定子驅動振膜,在電場力的驅動下帶動振膜發聲。

靜電耳機必須使用特殊的放大器將音頻信號轉化為數百伏的電壓信號,用變壓器連接到功率放大器的輸出端也可以驅動靜電耳機。因而其價格昂貴,并且不易于驅動,所能到達的聲壓級也沒有動圈式耳機大,但它的反應速度快,能夠重放各種微小的細節,失真極低,素質非常高。

下圖就是動圈動鐵以及靜電的發聲原理的對比

靜電耳機由于其技術成本高,因而生產的廠家較少。做靜電耳機最主要的就是STAX和高斯了,其中又以STAX為典型代表。

STAX是日本著名的靜電耳機廠商,這個廠商人員只有40多人,但就是這40多人撐起了耳機界的一個奇跡,就像Grado在美帝的小作坊工廠一樣。但是STAX是唯一專做并全線產品為靜電耳機的廠商。2011年底,STAX的100%股權被國內的廠商漫步者以當時匯率折合人民幣976.93萬元收購,并作為漫步者旗下的子品牌。STAX可以說是耳機界的一朵奇葩,在追求極致上一點不差于歐美公司,旗下產品幾乎各個都是不得了的。STAX現今的旗艦是 SR-009,售價目前大概在四萬左右,這還不是一整套西裝的價格。與傳統動圈耳機不同的是,靜電耳機需要專門的耳機放大器與之匹配,只有一個耳機想讓它出聲的話斷然是沒有可能的。但是耳放售價也并不低廉,因而,常說的一句話“靜電耳機是富人們的玩具”也并不過分。


上圖為STAX 009

靜電耳機,還有一個典型的例子,就是常說的大奧,森海塞爾奧菲斯靜電系列耳機。二十萬,怕不怕。全球限量300套。而每套高達20萬元人民幣的價格足以讓燒友購買一套高端的HiFi音響,而即使如此高價,森海塞爾奧菲斯仍然是有價無市,可見它的流行程度。下圖為森海塞爾 奧菲斯。


以上。(未完)



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