耳机是怎样发声的?

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耳机,又叫听筒,它是一种能把音频电流变成声音的器件。常用耳机的结构如图1所示,它是由永久磁铁、线圈、振动膜(具有弹性的软铁片或硅钢片)等部分组成。振动膜受永久磁铁的吸力将它吸附在耳机外壳的边缘上,并且向内微微弯曲,膜片之外,有一个塑料护盖,用罗纹固定在外壳上。耳机中的两个线圈一般是串联起来的,它们分别套在永久磁铁的两边。

图1
图1 🔍原图 (507×331)

耳机怎么会发出声音呢?大家知道,磁铁能吸铁,我们把磁铁的这种性质叫做磁性,磁性越强,吸铁的力量就越大。在一个磁铁上,磁性最强的地方叫磁极,每一个磁铁都有两个磁极,一个叫北极(用符号N表示),另一个叫南极(用符号S表示)。条形磁铁和马蹄形磁铁的磁极都在它们的两个端部。可见条形磁铁和马蹄形磁铁吸铁力量最大的地方在它们的两端。

假使我们采用一种方法,把磁铁的磁性加强,那么它的磁极吸引铁的力量就会加大;相反,如果把磁铁的磁性减弱,磁极吸铁的力量也就会相应地减小,这是容易想象得到的。

磁铁有永久磁铁和电磁铁两种,永久磁铁的磁性可以保持较长的时间而不致消失。电磁铁,是在软铁材料或其他铁磁材料上绕着线圈而形成的。当线圈里有电流通过时,铁心被磁化而显出磁性,电流被切断时,铁心的磁性也就消失,这种通电才显磁性的磁铁叫做电磁铁。电磁铁同样也有N和S两个磁极,具体哪边是N极哪边是S极,可根据右手定则来判断,它的方法是:用右手握着线圈,将大拇指伸直(见图2),如果以四指的指向表示电流的方向,那么拇指所指的就是电磁铁的北极。至于电磁铁磁性的强弱,则与流过线圈的电流大小以及线圈匝数等参数有关。对同一种铁心来说,电流大,匝数多,则磁性强;电流小,匝数少,磁性就弱。

图2
图2 🔍原图 (591×267)

前面说过,耳机中的线圈是分别套在永久磁铁的两边,也就是套在它的两极上,当有音频电流通过时,线圈就以永久磁铁为铁心形成小小的电磁铁,而且它的极性随着音频电流正反交替地变化着。

由于在无信号时,振动膜因受永久磁铁的吸引而呈现轻微的弯曲状(见图3(a)中的弧线a),因此它具有一定的弹力。当线圈中有音频电流通过时,情况就不同了。假定音频电流一瞬间从A端流入,B端流出,根据右手定则,这时两个线圈所形成的电磁铁的极性与永久磁铁的极性恰巧相同(见图3(b)),这样就使永久磁铁的磁性加强,磁极的吸力加大,振动膜就被吸引得更加向内弯曲(见图3(b)中的弧线b)。当音频电流的方向改变时,即从B端流入,A端流出,两个电磁铁的极性与永久磁铁的极性也就相反,这样,就削弱了永久磁铁的磁性,使吸力减小,于是振动膜在其本身弹力的作用下,弹回一些(见图3(c)中的弧线c)。因此,在线圈中有音频电流通过时,耳机的振动膜就会随着电流的变化而作同样规律的机械振动,音频电流经过一个周期,振动膜也振动一次,振动膜的振动推动了它前面的空气,使空气也随着一疏一密地波动起来,这种波动的空气传播到我们的耳边,就会使我们听到与音频电流频率相同的声音。

图3
图3 🔍原图 (844×354)

也许有的初学者要问,耳机中不加永久磁铁,而只靠电磁铁的吸引,不也可以使振动膜振动起来吗?对于这个问题,我们可以这样想:如果耳机中不加永久磁铁,当线圈中没有电流时,振动膜由于没受到吸引力,也就不呈弯曲状的变形,因而不存在弹力。当线圈中通过电流时,不论电流方向如何,电磁铁对振动膜都有吸引力,这样在音频电流的一个周期内,不论在正半周或负半周,振动膜都被吸引一次,也就是说,在信号电流的一个周期内,振动膜振动了两次。这样一来,耳机发出声音的频率也就等于信号频率的两倍,于是产生了严重的失真。因此,要使耳机正常工作,永久磁铁是必不可少的零件。(朱霭初 梁竹方)