漫谈耳机_陈志越.pdf

1r51/53.人=i一l下二一几,一-认什!二于几一,十一兀仁乙口J乙口/=1 一S2兀d(19)此外,由其它极限条件将取得一些别的物理结果,例如S附时,将导致 闭合板,这已有实验证 明没有使用意义”。因K0,故要求dS/2二,即d0.1 65,这就是d值使用的低端极限。当SZd时,有1二1K二1 一一全-一一丁一下下又十i,、一i一北2一/S一一l仁Zd/J结束语1Zd一2沈S(20)因K O,故要求兀Sd子4,即d0.85,这就是d值使用的高端极限。由、合成的工作区间见 图3所示。静电激发器法长期被用作辅助其它绝对方法校准频响,此时得出曲线的精度尚取决于信号发生器、放大器、记录仪等综合仪器的频响与精度,对此作者亦另有分析。本文结果指出,用静电激发器作绝 对校准,也可以达到较好的精度,且其工作频 率范围.之广,为藕合腔互易法、活塞发声器法所不及。本文有关几何量及 电量的精测,由我院有关实验室协助进行。并蒙于渤工 程师等声学组 同志给予支持。原稿取得马大献教授的具体指正。均此一并致谢。主要参考文献l)t川川川5)t耳.-:O:口即00 0图3几 何 td的工作区间图5.Ballatin e:theteehnie sofmic roPhon一se alibration,Jr.Aeoust.o Se.Am.,Ja nuary1932.B19.L.L.Ber a n ek:Ae o ustie al Mea su reme nt,295.3.173一175.Te ehnie al NewsBelletion.July,196 9,1 5 8-1 59【):2 02 5 峨:Calibrationof“half一ineh”、,r一-e ns ermieroPhon e:e ome Pris onof5 01。tede】eetr ostatiea etualormetho ds.B&Kle ehnie alReview,怕1,一。6 5,11:一7漫谈机陈志越一、概述耳机是一种能将电信号转换成声信号并与人耳直接藕合的 电声换能器。在 通讯中叫受话器。像照片1那样的叫头戴式耳机,它除耳机单元外,还有耳垫、头环、头垫、导52线和插 头等部件组成。耳 机和扬声器 的功能一样都是重放声音,但它们重放声音的方式和条件是不同的。如图1所示,扬声器是向一个较大的空间辐射声音。人耳听 到的声音与扬声器的位置、房间的大小和声学特性(如混响时间)有关。在表1耳机的分类换电耳机能动圈耳札等电动耳机原1压电 陶瓷耳机,压电 高聚物耳 机一里扁口-二电耳机,驻 极 体耳机中心策动式耳机全面策动式耳 机密闭式(位移型)照片1头粼式耳机半开放式全开放式/(速 度型)口 吸.了.1机耳气导重放二声道立体声时,一个耳朵不仅能听到相对应的那个扬声器放出的声音,而且还要听到来自另一个扬声器放出的“串音”,以及房间混响的影响。而使用耳机时,由于两只耳机重放出来的声音分别与二个耳朵紧密辐合,这样既农有“串音”,也不受房间混响的影响。骨导耳机摘入式耳机(耳塞机)耳挂式耳机听诊式耳机手柄式耳机方式策动头.式耳机贴耳式耳机耳革式耳 机使用形式电话机或电台用的受话器抗嗓声耳 翠式耳机助听 器用徽型耳塞机监听用高保真耳机欣尝音乐用的高质t耳机立体声耳机(二声道或四声 道)红外耳 机使用场合们心声书图1耳机和杨声 器的放声差别由于耳机比较便宜,使用方便,不影响他人,而且目前高质量头戴式耳机的音质已能与高质皿放声箱媲美。在一些发达国家,由于家用立体声的普及,人们比较喜欢用耳机来欣尝立体声。近年来,耳机的销售量已超过 了放声箱。耳机的品种繁多:从助听器用的微型耳塞机到高质里的四声道立体声耳机;从十分便宜的单极式电磁耳机到十分昂贵的专业监听用高质量静电头戴式耳机;从 正常人使用的气导耳机到耳聋者使用的骨导耳机,从传统的有线耳机到红外传声的无线耳机(简称红外耳机)等等。下表1列举了耳机的各种分类。二、测量与指标由于耳机是直接与人耳紧密辐合 使用的,所以耳机性能的 测量 应在一个规定 的仿真耳上进行,该仿真耳的声阻抗特性应与人耳相近。目前具有代表性的仿真耳如图2所示。其中的NBS一gA比较简单,它只有一个6c.。.腔体(受话器的测量还采用3c.。.或4。.c.腔体,耳 塞机测量 用Zc.c.腔体),它与户J堵日1 口卜V毛、汤图2N BS一gA和 B&K 15 3仿真耳玲出台坎想人一耳的声阻抗特性差距较大,而B&K4 153的结构较复杂,它由三个不同的腔体与规定的小孔相通,它与人耳的声阻抗特性比较接近,但也 不完全一致,特别是在高频段。为了使测量结果尽可能与实际试听 相一致,近来IE C推荐一种自由场法,即在消声室内将扬声器发出的恒定的 平面波声压级与耳机发出的声压级进行试听 比较。但这种方法还不完善,一是 比较麻烦,二 是 在高频(1500 0Hz以上)和低频(50H:以下)仍然不正确(低频受消声室截止频率限制,高频由于 人的听觉分弃能力差而难于确定)。图3示出了 同一个耳机用自由场法和仿真耳测量所得频率响应之 间的差别。目前,测量耳机切实可行的最好办法 是在 自由场法测得的标准耳机频响的基础上,用仿真耳作相对比较测量。巨巨,了卜)勺三 日月月 L 少二廷二l l ll一,一J J J片阵洲洲!二写写I I I匹匹巨-三三犁脚理(马马马马马马马马马_ _ _ _ _ _ _ _ _卜七二卜卜F二只-落二二碑几f:国国剑奎牛上上l二4了了卜弓一!日J刹-匕矛获获七洲一嗽 越越阮 护护护一一一哺,李李 厂三(三三万一_._ _ _ _ _ _ _蔽蔽或,)团团匡匡隆隆卜味二二二一,厅反反巨-卜卜卜卜卜卜卜 匡匡匡川洲洲f几三三住共共共荻荻-资五五匡-F F F F F F F二了 L 三三不 F三三三三三三三动动动动!二厂.二二】尽 罗罗卜三三勇工工_ _ _ _ _固固巨-坛坛坛坛 召三三三三三三三三三三厂厂1月石石卜卜孟刁蕊4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4一一一一一一一一五五一:压压巨-弓墓乡乡巨巨用用用用用用l l l奢绷瑞浙浙t习二:飞飞厂厂尸 魂魂l利利班班班阮阮阮污 一丁丁了一万万万万万万 典;斗琶理创冲飞伙啦玩玩息旦旦加你:橄.从书钻-散率Hz,图性环机的峨响曲线和 浙波失典口口口 口口胭公币币口口口口洲监监口口口口口口巨巨巨旧旧.1 1 1卜一,口口阮二 石二厂厂困困腻腻.,户一,p p p p p p p.目目目目目目目目目巨巨巨声拼一一一阳必必 曰曰,洲洲困困口口二二知几:口口口口口口口口口口团团口口J J J付日39一内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内口口口口口口口口口口州州3.谐波失真是表征耳机重放声的保真度的 另一个量。它可以在规定声级下用失真仪直接读出某一频率的总谐波失真。一般测量整个频带内失真最大的那一点。也可以像图4那样画出它的各次谐波分量。4.阻抗耳 机的 阻抗是指耳 机与放大器匹配使 用时,为获得最大 电功率时的耳机输入阻抗。标准中规定有一个从低阻到高阻 的 阻抗系歹d。耳机的指标还有瞬态失真,最大的承受功率等。图3用自由场法和仿真耳侧得 同一耳机频响的差别三、换能原理耳机的性能指标主要有如下几 个。1.民敏度是表征耳机电声转换效率的一个量。过去有人叫“效率”,最近IE C推 荐用“特征声压级”。它规定:当耳机加上相应于额定阻抗上1毫瓦、5”Hz正弦电功率电压时,在规定的仿真耳内所产生的声压级。用5 0OHz是因为在此频率附近耳机的频响比较平 坦。2.颐率晌应是表征耳机重放声的保真度的一个 必要条件。它是在规定的条件下,当耳机输入一定的正弦电压时在仿真耳内产生的声压 级 随频率的变化。用曲线表示时称频响曲线,如图4所示。耳机品种虽多,但实际上 只有下 列四种不同的换能原理。1.电盛式电磁 耳机是最早 出现的 一种耳机。它是利 用磁路中磁 阻变化原理 而工作的。其结构之一如 图5。主要 由磁体、极靴、线圈、衔书写(街改)线日!蒸不六图5电磁耳机结构示意图铁(兼作振膜)和外壳等组成。当音频电 流流 过线圈时,由于 电磁效应产生交变磁场,使处于 平衡状态的衔铁受到交变作用力而振动发声。电磁耳机的磁路结构可以分为交直流共路和交直流分路二种。前者衔铁的受力往往是单向的,称单向策动式,而 后者衔铁的受力则是双向的,称推挽策动式。电磁耳机的灵敏度高,结构简单,可靠,体积小,但频响差,音质不好。通常在通 讯中作受话器或耳塞机等。2.压 电式压 电耳机是利用有压电效应的材料的形变而 工作的耳机。这种压电材料最初是压 电晶体,后来用压电陶瓷,最近出现了压电高聚物。压电陶瓷耳机的结构之一如图6,它的振动系统由双压电片、金属片和振膜组成。双 压 电片的连结可以根据阻抗要求采用串联或并联,前者的阻抗是后者的四倍。七截图7动圈耳 机结构示意图动圈耳机的频响宽而平坦,音 质 较好,特别在低频力度感强,但它 的结构较复 杂,成本较高,也较重。主要用在高质量 的语言或音乐重放,录音或扩声监听等场合。近年来出现一种振膜和音圈均为平面状的电动耳机,叫等电动耳机。4.静电式静电耳机是音质最好、价格最贵的耳机。它是一种利用静电场作用而使振膜振动发声的耳机。高质量静电耳机 的结构大都采用推挽方式以减小失真,其结构如图8。林乏戈叼定电砍石瓜橱七次图8都电耳 机结构简 图图6压电陶瓷耳机结构示意图压电陶瓷耳机的优点是耐潮性能好,结构简单,体积小,生产方便,成本低。它的缺点与电磁耳机相似,音质差(压 电高聚物耳机是个例外)。故 大多在通讯场合使用。5.电动式电动耳机是 利用 电动力原理作 成的耳机。即在恒定磁场中,当与振膜相连的导体通过音频电流时,由于 电动力使导体带动振膜振动而发声。动圈耳 机是指其导线为音圈状,振膜呈球顶形的 电动耳机。结构如图o 7它主要由磁路部分(磁体、极靴),振动部分振膜、音圈)和外壳组成。静电耳机之所以音质好 是 因为它是全面策动方式,振动系统是一张质量 很轻的薄膜,瞬态好,频 响宽而平坦,而价格责是因为它结构复杂,需要 附加装置来提供极化 电压 和进行阻抗变换。驻极体耳机 也是静电耳 机的 一种,只是其振膜材料或极板本身已带有一定的 电荷,无须外加 极 化电压,简化 了结构,降低了成本。如果 以耳 机的策动方式来 分类,则有中心策动和全面策动二类。所 谓中心策动是振膜所受的策动力比较集中于振膜中心 的某些部位,而全面策动其策 动 力是均匀地作用 在整个振膜上。前者振膜各处所受的力有一个传递过程,这在高频容易产生相位失真和局部共振,而 后者则始终保持振膜作活塞振动。当然全面策动式耳机的音质要 比中心策动式耳 机好。如上所述,属于中心策动的有电磁、压电陶瓷和动圈耳机;而属于全面策动的则有静电、驻极体、压电高聚物和等电动耳机。从图9和图1。不难看出压电高聚物耳机和等电动耳机的振膜策动方式是与 静电 耳机一样的。垫能将整个人耳严密地复盖住,使耳机发出的声音不会漏到外边来,而外界的噪声也不会进入耳 内。照片1就是 这种耳机。图1 1是这种耳机的放声示意图。后 场扭、图1 1密闭式耳机放声示盘图乒从民只.为,圈9压电高聚物耳机结构简图抽水脚尸们由于密闭的原因,既可以隔离外界噪声,又可以使耳机振膜在不大的振幅下获得较好的低频特性。但是,保持较好的密闭会有一定的 困难,由于人耳朵四周不是一个平面,有凹陷部分,还有人的头发以及眼镜等都会使耳 机漏气。而漏气对密闭式耳机低频的影响又特别大卜如图1 2下所示。阅l、易例.世 呈互圭聋窦羞轰全哥口口口门门 口口巨 口口二二二口口口口闯闯闯厂二二国国一二二 【二二l l ll一1 1 1 二二二四四工工犷犷犷犷犷,厂-州州卜、而而而弓些)画画团团二二二口口国国2困困口口匹匹口口 甲.巨二二口口口口巨口口口口口口H H HO们O一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一下下 巨口口口口口口办办匆匆均二二”泊)尤尤立la a a口刃幻 幻幻百另了了n n n卜卜_司司反,口口曰曰【一门门口口口口口口远.钊叮勺分分巨玉玉口口口口二二皿皿口口讯讯尹,川才才二二二 口口氏二二口口田田州州/叮_ _ _厂二二口口门门,刃刃口口画画H H HD二22 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2【二 二二口口口口巨 二 口口口口圈1 2密闭式和半开放式耳机 泥气时对低颇特性的 影 响胡残l脚图 1 0等电 动耳机结构简图四、放声方式耳机 的放声方式大体可 以分为 密闭式、半开放式和全开放式三种。1.密闭式密闭式 耳机是过去和现在一直使用着的一种传统式耳机。它的主要特点是耳机 的耳为了防止耳机漏气,可以采用加大头环压力,耳垫改用充硅油一类液体等措施。但这样做又会使耳 机的 重量加大,成 本提高。而且在实际使用中长时间不 透气压着,会 出现耳朵压痛,耳内出汗等不舒服现象。如若为了确保高质量的 录音监听,或必须在高噪声环境下试听,迫不得已时使用密闭式耳机来完成某项任务是可以 的。但是,若用它来欣赏音乐就很不适 用了。为此又设计出一种漏气对低频特性影响不大的所谓半开放式耳机,也称通气式耳机。2.半开放式一付满意的头戴式耳机,至 少应具备音质好,佩带舒适二个条件。这就希望耳机的重量要轻,对人耳的压力要小,在漏气情况下对低频特性的影响较小(见图1 2上)。图1 3为这种耳机的放声示意图。耳机的放声示意图。照片3是这种耳机的样品 之一。目前这种耳机的品种尚少,数量不多。主要原因是低频特性不好,灵敏度较低。图1 4全 开式耳机声 放 示意图图1 3半开式耳机放声示意田1968年,西德森海泽尔公司首先研制出这种耳机,它的典型产品 是HD41 4动 圈耳机(见照片2)。其耳垫采用漏声的 聚胺脂泡沫塑料,耳机壳体上也有漏声孔。耳机的重量较轻,头环的压力较小。由于将振动系统的共振频率降低到15 0Hz左右(通常密闭式耳机振动系统的共振频率为15。Hz左右),故在漏气情况下低频特性下降较小。由于半开放式耳机克服了密闭式耳机的主要缺点,深受用户欢迎,发展很快。目前。几乎所有的耳机制造厂家都生产这种耳机。密闭式耳机可以使密闭腔内的 压力发生交替变化,腔内的声压基本上与振膜的位移成正 比,故称为位移型耳机,由于半开放式或全开放式耳机有漏气,在低频时必须加大振膜的位移才能保持恒定的声压,即声压与振膜的振速成正 比,故称为速度型耳机。照片3全开放式耳机样品五、使用照片2半开式茸机HD4 1-3.全开放 式这种耳机实际上是用小扬声器在耳朵一定距离处放声,耳机与耳朵之 间完全空着,耳机的背面基本上也全敞开。图 1 4为这种正确选择和使用耳机,既可以节省开支卜又能达到满意的使用效果。下 面介绍 一 下使用方面 的有关情况。1.通讯与广.通 讯中使用的受话器,主 要重放语言。故不是要求频带宽,音质好;而是要求灵放度高,清晰度好。此外还 要求可靠、体积小,重量轻、便宜等。目前,通讯使用 的受话器大多是电 磁 的,也有动圈和压电陶瓷的。表2列举了 国内外几种受活 器的 主要技术指标。通信用受话器 的主要技术指标国别厂家频率范围(Hz)不均匀度(dB)灵敏度(dB/mw)(IKHz)重盆仿真耳(克)直径.毫米)抗)0。Q鱿红氏阻(一型号一磁类塑一电英国TSC4 0422003.5K士31202.SC.C46.56西德电磁(双环做)52A0 024K3 0 0112.53C.C48士5本3003.6K珍吸R0 6160117.53C.C.士3两一瓜一磁片园电1 0 0一3 05美国国内4380厂l动内一三所圈198/GR3003.5K士 345磁107.51186C.C6C.C3845.5动H-一电SHH一13 0 03.4K士5压电S Y一1 710200 02 5500 010 0003 0 03K1051 1 06C.C.1 042士5在广播中使用的耳机,大多需要满足重放音乐的要求。故首要的是频带宽,音质好。其次才考虑灵敏度等其他指标。根据这样的要求,一般选用动圈、等电动、压电高聚物、静电和驻极体等耳机。其中除动圈耳机 的灵橄度较高外,其他几种灵敏度都较低。有些可以直接与推动放声箱的功率放大器输出端相连使用,如驻极体和静电耳机。表3列举了国内外几种典型的头戴式耳机的主要技术指标。2.使用形式耳机的外形尺寸取决于不 同的 使用形表3广播 用头戴式耳机 的主 要技术指标类类型型频率范围一阻抗灵敏度谐波失真真型型号号(HZ)(。)(dBzmw)%(dB)西西德德嗽n 2护“一Z OKZK K K1 0 2(1%(126dB)19 0 0 0S S Sennkeise r r r r r 西西德德动圈圈2。一K2“11 50.2%(12od B)470 0 0B B Beye r r rD T48 0 0 0 0 0!日日本本气丧产2。一ZoK,5。3 210 0 0Y Y YAMAH A A A A A A A日日本本压电 离 聚物物物几健轰 舅 l l l lP P Pioe ner r rSE一700 0 0 0 0 0 01菇i:。dB,295 5 5意意大利利静电电电80dB/V V V V V481 1 1K K Ko ss s sES Pw eg g g g g g g g g g g西西德德气 盔:体卜,K K K1。d B/sv六全6二跻跻跻e S S Snnheis er r r r r r r r r目目内内动圈圈20l名K K K5 0 0 0一1%_ _ _三三所所EDI一25 5 5 5 5 5 5(12 5dB)动动圈圈50 0 0引%E E E7一5 0 0 0 0 0 0 0石8式。例如:助听器或便携式收音机上用的可以插入耳道内的叫耳塞机(见 照片4)。在厅堂等扩声系统中,若不用l放声箱扩声,则可以为每人提供一个用耳钩等小型附件悬挂在外耳上的 一种叫耳挂式耳机(见 照片5)。有些老年人或听力较差的人则比较适用一种像大夫给病人诊断用的听诊器那样的耳机,叫听诊式耳机。熊片1所示的头戴式耳机是使用最户泛的一种耳机。在这种耳机中又根据耳垫的大小和形状分为贴耳式耳机(耳垫较小,呈 圆形,直接压在外耳上)和耳罩式耳机(耳垫较大,呈椭圆形,可以罩住整个耳朵)。还有用手握着使用的耳机叫手柄式 耳机等等。双片4耳塞株照片5耳挂式耳机8.使用场合在高噪声环境下 通话试听用的头戴式耳机叫抗噪声耳罩式耳机。这种头戴式耳机的耳垫或耳罩孺要采用隔声性能好的 材 料作成,以提高头戴耳机对外界噪声的隔声性能,最小的耳机是微型助听器上使用的微型耳机。它小到可以与微型传声臀、放大器和音量电位器等组成一体后,釜部放进外耳.道内。在电影、电视和广播录音或重放过程中作监听音质的耳机叫监听耳机。它的保真度要求很高,一般都使用密闭式耳机。欣赏音乐用的耳机也叫高保真耳机,但实际 上它并不高保真,为了迎合欣赏者的试听需要,通常在高低频段有意识地提升一些,进行一定的音色修饰。立体声耳机已较普遍。实际 上将单声道头戴式耳机的二个耳机单元分别与左右二个声道相连接,就变成了二声道立体声耳机。不过,严格说来立体声耳机应要求其左右二个耳机单元的频响、灵敏度和阻抗等指标十分相近,而且二个耳机的相位也应一致,才能重放出比较理想的立体声来。四声道立体声耳机是在左右两个耳罩内分跳按一定要求、各装上二个耳机单元组成。由于二个耳机单元在耳翠内放里的位置 不同(如在耳罩壳体的上下、左右、前后放置,以及二个耳机单元的夹角等),又可以分成儿种不 同制式的四声道立体声耳机。为了展宽频带,减小互调失真,更高一档的耳机采用像放声箱那样,由高音和低音二个单元分频组成。二个单元可以都是 动圈的;也可以低音单元用动圈的,高音单元用驻极体的。这类耳机 的音质当然是 比较理想的,但结构复杂,成本高。传统的耳机 总是带有一根较长的导线和插头与放大设备连结使用,人的行动不方便。1 9 了5年西德森海泽尔公司首先研制成采用红外传声的无 线耳机。目前已在单声道和立体声电视伴音,会议扩声、多种语言的同声反译和教育等场合。照片6是森海泽尔公司的HD I43 4二声道立体声红外耳机。午台 扩声系统浅谈广中人们在轻松愉快地观看文艺演出时可曾想到,音响工作者为使观众获得满意的音质效果不仅事先在厅堂中合理地布置了扩声系统,而且在演出的整个过程中他们始终在音晌控制台前紧张地工作着。人们不仅要问,为什么在演出时需要有一套扩声系统伴随着工作呢?下面就谈谈午台扩声系 统的一些情况。一、午台扩声系统的作用一个声源(例 如演员或乐器)在发声时都具有一定的初始能量,叫做声能。它经过空气媒介的传递在到达接收点(如传声器膜片或观众的耳膜)时,由于空气分子的相互碰撞,声能密度便有所减小,能量有所降低。这样,在接收点所收到的声强要比声源发出时为小。在一个周围无反射的声场条件(声学上称为 自由场一例如消声室)中,这种声能的衰减是与接收点离声源的距离成比例的,即,O C十,距离r每增加一倍,声强P要衰 减6分 贝。在室外刚性地 面的空场上,具有这种条件的声场,有 人称它 为 半自由场。那么,在演出用的剧场或厅堂中,声波的传递又是怎样进行的呢?剧场或厅堂的四周是封闭的,午台上声源发 出的声波在照片6立体声红外耳机六、发展动向王如电子工业 中其他元器件一样,耳机的发展是相当快的。上面提到的半开放式、全开放式耳机,驻极体、等电动、压 电高聚物耳机;高低频分路式耳 机以及红外传声的无线耳机等等,都是近十几年来发展起来的新型 耳机。但是,耳机也 和其他电声换能器一样,近几年来没有出现新的换能原理。以后的发展动向主要还是在研 制 高性能、高稳定度的新材料(如高磁能积 的稀土钻永磁材料,高磁饱和的导磁材料,高稳定的驻极体材料,高性能的压电高聚物材料和高质量的振膜材料等等)和采用各种新工艺、新技术、新结构等,在提高音质和灵敏度的前提下,减轻重量,缩小体积、降低成本。还有一个重要方面是与心 理声学结合起来,进行大量的、细致的、科学的听感 评价工作,不断完善客观测量方你使客观 测量与主观试听 之间的 差距逐步缩小。随着我国科学技术的迅速发展,随着通讯 和广播事业的 迅速发展,特别是立体声广播的建立,家用立体声的普及,人们对耳机的 兴 趣将会愈来愈浓,使 用耳机的人将会越来越多。到那时,也许又出现许多我们 预想不到的各种新型 的高性能的耳机。