高保真耳机技术的新进展

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近年来,人们对高保真耳机的新结构、新材料及新工艺的研究取得很大进展,耳机的性能有很大提高。综观耳机近几年发展,在以下几个方面有突出进展。

1.双音路耳机

双音路耳机是目前较流行的一种高保真耳机。所谓双音路就是在耳机中布置了两个电声换能器,即动圈换能器和静电技能器。这种耳机是半开式结构,它集中了动圈和静电换能器的特点,可在耳机中实现两段分频,动圈换能器作为低频发声器负责转换4kHz以下的中低频信号,静电换能器作为高频发声器负责转换4kHz以上的信号,使耳机在分割频域中处于最佳工作状态。用这种双音路发声系统可明显改善耳机的高、低频响应。

AKG k340耳机是典型的双音路结构(外形见图1),其换能系统由一个动圈换能器和一个驻极体换能器组成,动圈换能器处在驻极体换能器后面。在4kHz以上用驻极体换能器进一步提高高频,其高频可延伸到25kHz。用k340耳机听音。立体感特别明显,音质清晰透亮,完全排除了“头中定位”效应。

图1
图1 🔍原图 (660×762)

其他如松下公司的RP-F7型高保真耳机(外形见图2)、日本SR-4型耳机、SE-700型重低音耳机都采用了双音路重放结构。SE-700型重低音耳机结构设计更有独特之处,其主发声器是直径Ф43mm的动圈换能器,称为低音扬声器,高音扬声器直径Ф15mm。两个换能器同轴地形成双音路发声系统,可实现超低音和高频宽带传输。低音主扬声器振膜用特殊的高分子材料制成。为了实现重低音,采用了管弦乐器原理,设计两个低音通道。耳机外壳采用ASA复合材料,可实现低频共振。该耳机的频响很宽(5Hz~28kHz),音质很好。

图2
图2 🔍原图 (609×900)

2.多振膜振动系统

AKG公司于80年代发明了无源振膜,并运用于耳机之中。在耳机中,由一个有源换能器振膜和多个无源振膜组合,即形成多振膜振动系统。该振动系统的特点是,有源振膜作为主发声器辐射声信号,而无源振膜是被动膜片,它不受振动系统直接驱动,仅仅受空气振动而运动。

无源振膜在耳机中的主要功能是有效改善耳机的频响特性,具体表现为:

(1)利用自身的自然谐振和恢复力,接通耳机声道的恢复力。当声道中频率低于无源振膜的自然谐振频率时,无源振膜将声道关闭。反之,当无源振膜的谐振频率较高,并出现振动时,振膜质量能提高声道中的阻抗。

(2)当耦合腔中出现干扰谐振时,无源振膜可用自身阻尼来平衡干扰谐振,修正频响的不均匀度。

(3)人们可根据频响的需要,随意选择各个无源振膜的自然谐振频率和阻尼参数,去修正耳机频响中所有的不均匀度,任意改善频响特性。

AKG k240耳机是一种很好的高保真耳机,该耳机完全采用了多振膜振动原理,换能系统采用一个有源换能器振膜和6个无源振膜。有源振膜置于耦合腔中心,6个圆形无源振膜分布在四周。这6个无源振膜的自然谐振和恢复力均不相同,利用它们可有效修正耳机的响应特性。据称,k240耳机重放效果特好,能产生一种与自然听音相似的听感。

目前,美国的一些电声厂商也用无源振膜制做耳机,均达到很好的重放效果。

3.微型耳机音质的改进

微型耳机是运用很广的一种耳机,它的特点是重量轻,使用方便。尽管它不能作高保真重放,但仍是一种较理想的听音器材。

微型耳机由于其体积很小,要改善其音质,特别是改善低频响应十分困难。日本公司为改善微型耳机的低频响应作了很大努力,收到一定的效果。例如松下公司RP-HV80型微型耳机,采用双重振膜,前面的振膜尺寸小,主要作高音重放,后面的振膜尺寸稍大些,用作低音重放。另外在振膜后面布置了两个声学孔,以提高低频响应。

日本爱华公司开发一种U型低频共振导管式耳塞机,它是在连接耳机腔体的支臂处设计了一个长的U型低频共振导管。该耳机的声学特性与管风琴很相似,声导管越长,低音重放越好。耳机的磁路部分采用铬钴磁体,可获得很高的磁通密度,大幅度提高耳机灵敏度。据称,该微型耳机频响宽、失真小,低音听感强劲有力,音色明亮开阔,称得上是微型耳机中的精品。

日本索尼公司生产的网罩式微型耳机,在其前盖上用电铸方法或激光打了许多微孔,状如网格,使用时直接与人耳接触。这种耳机弃除了泡沫耳垫,佩带更为舒适,重放音质也很好。索尼公司是微型耳机的发明者,一直以生产高档微型耳机著称。

4.大振膜大腔体结构

高保真耳机的振膜越大,谐振频率越低,低音重放则越好;耦合腔越大,越有利于声像扩展。因此采用大直径换能器是改善耳机音质的有效方法。

近几年,国外耳机大多采用大直径振膜,国内耳机厂商也开始采用大直径振膜。例如,日本索尼公司MDR-CD550耳机(外形见图3),振膜直径40mm,为了保证足够的声扩展,耦合腔也很大。换能器同人耳的位置相一致,声源和鼓膜之间的距离可自动调节。该耳机具有自然的和宽扇形音响重放特性。

图3
图3 🔍原图 (559×807)

日本松下公司RP-50数字耳机采用新的双拱顶振膜,振膜直径50mm,该耳机可产生很大的动态范围和平坦的频响。

KOSS公司PRO/4XTC型耳机采用直径为50mm的大振膜,耳垫用特殊的乙烯基材料,遮音特性很好。该耳机的重低音十分突出,频响可达15Hz~35kHz。

另外,AKG公司k280耳机(外形见图4)采用半开式结构,振膜直径为50mm。该耳机的重放音质曾轰动欧美市场,美国的音乐迷称它为超级音响耳机,并将其作为标准耳机。

图4
图4 🔍原图 (639×843)

5.新材料新技术

耳机的发展与材料工业息息相关,从某种意义上说,耳机的性能取决于材料。耳机的关键部分是振膜,关键工艺是振动系统。动圈耳机的振动系统主要由振膜、音圈和磁体组成。振膜材料通常用塑料薄膜,日本索尼公司近期采用高强度的生物纤维振膜;松下公司采用特殊的高分子材料作振膜,改善了振膜的性能,取得很好的重放效果。

目前高档耳机大多采用包铜铝线或方形漆包线绕制音圈,大大减轻音圈的质量,同时采用数控自动绕线,可将很细的自粘漆包线整齐排列4层,阻抗值可根据需要自动控制。

磁体则采用高磁能的钐钴或钕铁磁体,可有效提高磁路的磁通量,减轻振动系统的重量,减小体积,使耳机的外形更薄更轻。

日本采用特殊的人造革作耳垫,柔软弹性好,既有保护皮肤的特点,又适合长时间佩带。

6.发展趋势

由于数字音响技术发展,对重放音质的要求越来越高。因此,今后不断地提高高保真耳机的重放音质是主要研究课题,其中包括研究开发各种高性能、高稳定度的振膜和磁体材料,采用先进的加工装配工艺等。在改善音质,提高灵敏度的同时又减轻重量,改善佩带的舒适度。今后高保真耳机要扩大动态范围,减少失真,提高音质而适合高水平聆听的需要,肯定朝着大振膜和大外壳发展。微型耳机要进一步提高重放音质,扩展低频响应,改善佩带外形结构和舒适性,以减少微型耳机对人的听力的影响。 (陆正伟)