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尚文清

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[问答]

请问耳机扬声器一层膜展现多层次的音乐的原理是什么？

扬声器单元大体是由永磁体、音圈和振膜组成的。


简单来说音圈原理就是根据声音调整线圈电流大小，产生不同的电磁场，并驱动振膜产生不同幅度和形变的震动，最终带动周围的空气传递声音。


一般来说，振膜是分内外圈的。内圈在高频时震动强烈，外圈在中频时震动强烈，而低频则是依靠振膜整体的冲程运动来发声。


耳塞和耳机的振膜通常情况下都很轻很薄，否则无法被低功率的音圈驱动，但同时又要保证强度，才能承受住各频率声音使振膜产生的形变。


同一时间发出很多声音，这个其实不难理解，但要保证同时发出的声音都正确，是扬声器单元设计的最大难题。也正是因为这个问题，各个厂商都有自己独特的扬声器设计和技术。比如Sony，主要是以研发振膜材料为主，从最早的PP塑料，到生物振膜（其实就是菌类的菌丝编制的），再到现在EX1000等旗舰上用的液晶高分子振膜（这东西我确实不懂，不是学材料学的）。而森海塞尔、AKG等，主要是以研发单元结构、振膜结构为主。


有部分耳机和耳塞，在一个腔体里面放置了多个发声单元，分别负责中高频和低频（以动铁耳塞为主，因为动铁单元体积小灵敏度高），这类设计思想与绝大部分音箱类似。大部分耳机和耳塞都使用一个单元完成工作，这样的单元就叫全频单元。从声音整体性、过渡自然性、技术成熟度以及其他很多乱七八糟的方面来看，全频单元理论上是最理想的结构，因为其不需要考虑分频的问题。


但现实是很残酷的。要通过一个振膜完美重现所有声音，技术难度大成本高。原因：振膜的分割震动。


所谓振膜的分割震动，是指振膜的各部分会负责不同频率的声音的重现。但正因为题目中提到的同一时间发生，加上永磁体和音圈都在扬声器中央，原理振膜外圈，导致振膜受力不均匀，因此导致振膜一个地方震动会影响到其他部分，形成不可预料的形变。也正是为了减少分割震动，才会有Sony、森海、AKG等等大牌厂商在振膜材料或结构上的巨大投入。
关于分割震动的形象描述，推荐数码多的这篇文章：夏昆冈作品 - 音箱耳机入门 图解振膜的分割振动


有一类扬声器不存在震动分割的问题：平板扬声器。平板扬声器的振膜是一片平直的印刷威廉希尔官方网站 ，通过均匀的电磁场来驱动。优点是振膜各部分受力均匀，无分割震动，缺点是振膜厚度大，危险性高（高压），材料单一，灵敏度低。为了解决以上缺点，静电扬声器问世。


静电扬声器/耳机最出名的，应该就是被漫步者收购的那家小日本公司：STAX。静电扬声器的原理与电磁平板扬声器类似，都是通过均匀电磁场驱动平板振膜发声，所以优点也大致相同。而由于静电扬声器电压高、电流低，因此危险性降低，但扬声器振膜必须做得薄到极致，这也造成静电扬声器极易损坏且价格继续离谱的新毛病。


由于有了以上一堆原因，导致了多单元结构的诞生。音箱还好说，耳塞和耳机由于体积限制，导致无法在一个腔体里面塞入太多单元。万恶的商人因此想到了利用助听器上的动铁单元（学名叫平衡衔铁单元）来制造小体积多单元耳塞。动铁单元的特点是体积小，质量轻，易驱动（不等于容易驱动好，仅限能发声），对腔体无太多要求（动圈单元需要考虑腔体的漫反射、共振之类的声学构造）等优点，缺点是振膜面积小，单个单元很难满足高质量音频回放，无法兼顾各个频段的声音。正因为如此，才有了之类W4/W4R、UE900，UE18Pro为代表的丧（you）心（dian）病（keng）狂（die）的四单元动铁耳塞。原因归根结底还是保证各个单元各司其职，各负责一个频段的发声。


由于动铁单元振膜的冲程很小，因此在中低频和极低频方面的表现十分惨淡。这在感官体验上会造成声音无力、无气势、空洞、干冷等表现。现阶段，一方面动铁单元的专利方（是的，大部分动铁耳塞都是购买别人的单元，自行组装）不断改善动铁单元振膜和结构，另一方面有催生了曾经昙花一现的动铁+动圈多单元结构。这个也不难理解，就是在耳塞中同时塞进去动圈单元+动铁单元。这个结构最早出现在Ultimate Ears的SuperFi 5 Pro EB耳塞上。当时UE的初衷就是为了改善惨淡的低频表现。但由于当时技术不成熟，分频器设计不合理，而且SF5 Pro造型怪异，造成动圈单元除了低频量大之外，无其他优异表现，成为一款比较失败的产品。


2012年AKG做了第二个吃螃蟹的人。K3003再次采用圈铁结构，并且使用CNC不锈钢外壳、每一条耳塞都单独手动调音、独特的导管和滤音结构等一大堆手段，实现了在一条小小的非定制耳塞上做到各个频段声音都十分平衡的目标。但代价也不小，或者至少是售价吧，毕竟AKG并没有透露其单元和腔体使用了什么火星科技。


当然，关于音频方面的内容远不止于此。音色、音场、声音分离度、声音感情等同样重要的元素，远不是依靠优秀的发声单元就能做好的。

回帖（2）

付雯瑶

2018-10-31 10:06:06
这是个很好的分享！
耳机独特的构成也被一些具有创新思维的工程师所用：
Bifrostec 和Kaiteki Institute两家公司利用处理技术可以让每一副入耳式耳机变身脉搏波传感器。
工作原理就是把耳机变成麦克风，听取耳膜的运动。而耳膜的运动通常与动脉的脉搏同步。这项技术可以抵消背景噪音。因此，即使使用者正在听音乐，耳机也可以监测他们的脉搏，无须戴上其他的头戴式装置。虽然我们还不能说，这样的耳机脉搏监控器产品什么时候(或者说，会不会)正式推出，但似乎可以神不知鬼不觉地应用到传统的移动设备当中。 

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紫摄风悦

2019-3-19 10:09:19
目前除开价格因素，4动铁+1动圈的五单元耳机已经能做到较好的三频均衡了～频响范围也从4～40000hz了，应该已经完全能够满足人耳的听觉范围，当然要同低音炮音箱来比低音的频响量能，肯定还是差距不小的！
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