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(shù)碼電子類產(chǎn)品整體行業(yè)的發(fā)展,又進一步的導(dǎo)致了其更高的需求。不只是簡單的聽音,耳機的聲音品質(zhì)的成了一些用戶的關(guān)注點,入門級的耳塞產(chǎn)品也往往無法滿足如今人們對于高音質(zhì)的追求了。因此越來越多的人因此了解了HIFI和發(fā)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(diào)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?jīng)Q定其聲音的發(fā)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(diào)音和其他的元件能改變聲音的取向,然而單元的素質(zhì)和能力是卻是一副耳機的上限。

耳機的單元的專業(yè)性的術(shù)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(xì),聲音的解析度也就越高越細(xì)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(shè)計水平也就越高,因而價格也會越來越高。雖然說奉為經(jīng)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(xiàn)今的高端耳塞市場,有一種“堆單元之風(fēng)”,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(shù)更是高達12個,當(dāng)然也售價不菲(約一萬六),作為2015年旗艦產(chǎn)品,Layla的高、中、低頻各由4個單元負(fù)責(zé),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(shè)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(shù)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(xiàn)今技術(shù)相對比較成熟了的喇叭結(jié)構(gòu)設(shè)計,除了應(yīng)用在耳機產(chǎn)品上以外,各種喇叭和揚聲器的單元也都采用了相似的設(shè)計,應(yīng)用及其廣泛。

動圈的工作原理類似于電動揚聲器,驅(qū)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(qū)動下帶動振膜振動,振膜震動產(chǎn)生聲音。

通俗來說,它的基本原理就是我們中學(xué)物理學(xué)過的,閉合線圈在磁場中,磁通量的變化會有電流產(chǎn)生。電流經(jīng)過“線圈”產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)由電轉(zhuǎn)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(chǎn)生聲音的根本原因,那么如果要產(chǎn)生聲音,就必須要有振動源的存在,耳機內(nèi)部的薄膜即振動源,又因為薄膜上附有導(dǎo)線圈,導(dǎo)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(guān)的一些參數(shù)也成為了耳機好壞的評價標(biāo)準(zhǔn)了。比如,電阻率(阻抗),靈敏度,響應(yīng)頻率段等。而對振膜的設(shè)計要求則是質(zhì)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(jié)構(gòu)和原理圖。



動圈用于耳機上最早出現(xiàn)于1937年。大多數(shù)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(shù)現(xiàn)今已經(jīng)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(chǎn)品,價格至少也在三四百。當(dāng)然,貴的動圈耳機自然也有,例如森海塞爾的現(xiàn)今的旗艦耳塞IE800,售價6000+

動圈耳機的優(yōu)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(zhǔn)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(fā)現(xiàn),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?wù)勊^的動鐵。動鐵耳機的鐵指的是,利用了電磁鐵產(chǎn)生交變磁場,其關(guān)鍵的振動部分是一個鐵片懸浮在電磁鐵前方,信號經(jīng)過電磁鐵的時候會使電磁鐵磁場變化,從而使鐵片振動發(fā)聲的耳機。其正式準(zhǔn)確的叫法應(yīng)該是“平衡電樞”,索尼在當(dāng)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(fā)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(fā)聲。而兩者之間最大的區(qū)別在于發(fā)聲單元的構(gòu)造原理和位置有所不同。動鐵耳塞內(nèi)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(fā)聲。動圈是直接帶動振膜,而動鐵是通過一個結(jié)構(gòu)精密的連接棒傳導(dǎo)到一個微型振膜的中心點,從而產(chǎn)生振動并發(fā)聲。



就耳機單元而論,傳統(tǒng)的動圈耳塞無法將整個發(fā)音單元放入耳內(nèi),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(xiàn)力。由于耳道的幾何結(jié)構(gòu)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(fā)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(xiàn)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(gòu)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(shè)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(tài)表現(xiàn)和解析等特點,對音樂的動態(tài)、瞬間細(xì)節(jié)表現(xiàn)、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(qū)別的,比如動鐵單元的結(jié)構(gòu)幾乎是個密閉的容器,僅需要很小的電流就可以驅(qū)動它,所以靈敏度方面也是動鐵耳機更占優(yōu)勢。解析力一直是動鐵耳機很好的優(yōu)勢,對于聲音細(xì)節(jié)的回放方面表現(xiàn)優(yōu)異。而普遍動圈式結(jié)構(gòu)耳機在細(xì)節(jié)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(dǎo)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(huán)境的溫度和濕度影響,頻響曲線可能會出現(xiàn)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(fù)雜,再加上耳塞的密封性設(shè)計,使得動鐵耳機的頻響曲線和整體聲音素質(zhì)表現(xiàn)都更加穩(wěn)定;在聽感上也不會產(chǎn)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(xiàn),動鐵單元廣泛用于醫(yī)療、保健、航空、軍事等領(lǐng)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)。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(dāng)?shù)睦?,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(jié)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(zhì), 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(gòu)造



圈鐵結(jié)合

說到這里,大概會有人想問說,有沒有辦法結(jié)合動圈和動鐵的特點和優(yōu)勢的耳機呢,答案自然是肯定的?,F(xiàn)今,圈鐵結(jié)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(jié)合既保證動圈的樂感氛圍,也保證了動鐵的細(xì)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(xiàn)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(tǒng)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(dǎo)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(cè)的固定電極上,借著電荷之間的相互排斥相吸,來產(chǎn)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(zhuǎn)化為驅(qū)動力,因而非常靈敏。此外,在振膜材質(zhì)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(zhì)量也極輕,對耳機性能有著較大提升。

系統(tǒng)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(fā)生變化,驅(qū)動振膜振動。單極化所需的電能由交流電轉(zhuǎn)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(dāng)音頻信號加載到定子上時,定子驅(qū)動振膜,在電場力的驅(qū)動下帶動振膜發(fā)聲。

靜電耳機必須使用特殊的放大器將音頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)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(qū)動靜電耳機。因而其價格昂貴,并且不易于驅(qū)動,所能到達的聲壓級也沒有動圈式耳機大,但它的反應(yīng)速度快,能夠重放各種微小的細(xì)節(jié),失真極低,素質(zhì)非常高。

下圖就是動圈動鐵以及靜電的發(fā)聲原理的對比

靜電耳機由于其技術(shù)成本高,因而生產(chǎn)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(chǎn)品為靜電耳機的廠商。2011年底,STAX的100%股權(quán)被國內(nèi)的廠商漫步者以當(dāng)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(chǎn)品幾乎各個都是不得了的。STAX現(xiàn)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(tǒng)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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