近代耳機和驅動單體演化史

近代耳機的外型基礎,從最初的Baldwin耳機到現在,頭戴式耳機在基本構造上已經沒有非常顯著的變化,但是在後續的演化過程中,內部的驅動單體卻有著不斷的改進和突破。在驅動單體的轉變中,使用的發聲原理大致上大異其趣,但是實際達成方式又有著根本上的不同處,我們底下會先簡略介紹耳機的發聲原理,接著再藉由耳機歷史的帶領下,來和各位介紹驅動單體的演化史。

耳機發聲的原理

耳機發聲的基本原理就是將電能轉換為機械能,再由機械能轉換成聲波,當耳機接收到電訊號後,將傳遞進來的電訊號送到驅動單體或者說換能器(Transducer),然後再藉由換能器將電能轉化為機械能來帶動驅動單體振膜。由於聲音是藉由物體震動帶動周邊空氣壓縮而產生,所以藉著驅動單體振膜的震動就能發出聲音,整個過程也常被稱為電聲轉換,而耳機的驅動單體就是一種電聲轉換器(electro-acoustic transducer)。

動鐵式驅動單體 (moving iron driver)

西元1910出現的Baldwin耳機,算是第一款正式採用頭戴式設計的耳機產品,但是早期的耳機驅動單體,和現在常見的驅動單體卻有著很大的不同。Baldwin耳機並非使用現在大多數耳機搭載的動圈單體,而是使用當時喇叭中常見的動鐵單體(moving iron driver),就Baldwin自己的信中寫道,Baldwin耳機為了配合美國海軍通訊設備使用,其阻抗大約為2,000歐姆。

動鐵單體除了應用在最早的頭戴式耳機中外,此種單體類型也是最早的喇叭單體之一,拜爾 (Bell)在1870年代所發明的電話聽筒也是使用此技術。動鐵單體由一個和振膜連結的銜鐵(Armature),搭配上永磁鐵和絕緣線圈組成,在永磁場中的線圈圍繞著銜鐵形成一個電磁閥,當音訊訊號傳遞入線圈時,導入的電流讓線圈產生磁場變化而牽動銜鐵產生擺動,再藉由銜鐵將震動傳導到振膜來產生聲波。
動鐵單體由於必須驅動銜鐵來發聲,在大尺寸動鐵驅動單體中,銜鐵過於堅硬而無法擁有足夠的移動範圍來表達低頻率聲音,並且銜鐵的的重量也嚴重影響到震動的最高頻率,而無法成功再生高頻率範圍,這使得動鐵單體在1925年後,廣泛的被Edward Kellogg和Chester Rice發明的動圈 (Moving-coil) 驅動單體所替代。

淺談耳機發展和驅動單體演化史,100 多年來的曲折轉變

▲左圖動鐵區動單體工作示意圖,右圖動鐵區動單體內部構造示意圖。

動圈式驅動單體 (Moving coil driver)

從西元1937年,由Eugen Beyer設計的第一款動圈式耳機Beyerdynamic DT48面市以來,動圈式耳機驅動單體由於技術成熟且生產成本較低,使得目前市面上絕大多數耳機都屬於這個類型。

動圈式(Moving-coil)的英文更常被寫做為Dynamic,其發聲原理一如其名,一個處於永磁場中的纏繞圓柱狀線圈連結在耳機的振膜上,當線圈中的電流發生改變時,環形線圈就會產生磁場來和永磁場發生交互作用。如同佛萊明左手定則(Fleming's left hand rule,又稱電動機定則)所示,在磁場中的線圈會受力產生位移進而帶動振膜震動,而震動的振膜再驅動周邊空氣產生聲音。

耳機中的永磁場一般由鐵氧體磁鐵或是釹磁鐵,搭配周圍金屬組成磁氣迴路來提供,振膜則常由質輕且高硬度質量比的材質組成,從塑膠聚合物(如PE、PEI等等)、複合纖維(木質纖維、化學纖維、生物纖維)到碳纖維等材質等均有。由於部分材質如塑膠聚合物的剛性較差,使得大多數塑膠聚合物振膜上,有摺痕來增加振膜的剛性。

淺談耳機發展和驅動單體演化史,100 多年來的曲折轉變

▲第一款動圈耳機Beyerdynamic DT48(圖片來源:Beyerdynamic官方網頁)。

在耳機中,振膜邊緣往往直接固定在驅動單體的框架上,由振膜本身材質的伸縮能力和摺痕的變化來提供力順。但在少部分耳機,如Denon的D2000、D5000和D7000等,則具備如同喇叭振膜懸邊的彈性介質,由彈性介質提供振動系統的力順。

一如所有類型的驅動單體,動圈式耳機驅動單體振膜的材質、形狀和折痕都影響著最後的發聲品質,磁氣迴路在其中也扮演著重要的腳色。由於動圈式驅動單體的技術已經非常成熟,所以目前的改良方式大多集中在增加磁場密度,和改善振膜的物理特性為主。

 

淺談耳機發展和驅動單體演化史,100 多年來的曲折轉變

▲上圖動圈耳機單體爆炸圖(圖片來源:Sony官方網頁),下圖動圈驅動單體內部構造示意圖。

立體聲耳機 (Stereo headphones)

到第一款動圈耳機Beyerdynamic DT48出現的時候,耳機已經有超過25年的歷史,但是由於技術力的限制,當時市面上的耳機都還是以單聲道(mono)形式存在。主要也是因為當時的錄音也大多是單聲道錄音,而且DT48設計初衷和現在耳機用來聆聽音樂的目的不同,代號中的DT是Dynamic Telephone縮寫,主要是電話接線員和專業工作使用,所以當時生產耳機的目的並不是用來重現高品質音訊。

直到西元1957年,美國Audio Fidelity Records公司第一次將立體聲導入商業唱片領域後,雙聲道立體聲才漸漸成為聆聽音樂的主流規格。而在次年,耳機被發明將近快50年後,立體聲耳機才正式出現在市面上,John C. Koss和Martin Lange利用了一項突破性的設計將耳機市場完全改變,製造出第一款立體聲頭戴式耳機Koss SP-3。

接下來的後繼耳機也自然地採用這立體聲設計,不過由於當時的擴大器和重播裝置都非常的笨重,當時的耳機基本上還無法像現代耳機,擁有隨處使用的輕便性。

淺談耳機發展和驅動單體演化史,100 多年來的曲折轉變

▲左圖Koss SP-3耳機系統,右圖Koss SP-3耳機。(圖片來源:Koss官方網頁)

靜電式驅動單體 (Electrostatic driver)

到了1959年,日本東京Stax公司設計出了全世界第一款靜電耳機STAX SR-1,由於早期靜電耳機不易保養,目前還能夠運作的SR-1應該是屈指可數。隨著STAX推出電式耳機後,各大品牌如Beyerdynamic、Sennheiser、Sony、松下、先鋒、Koss等,也都推出了自家品牌的靜電耳機產品。

但由於研發經費和生產成本較高昂,靜電耳機的市場漸漸被技術成熟且價格低廉的動圈耳機所壓縮,最後各大品牌逐漸放棄靜電耳機的研發和生產,目前市場上只剩下漫步者(Edifier,漫步者在2011年以現金方式收購STAX所有股權),和Koss還在生產靜電耳機產品。

靜電式驅動單體的發聲原理和靜電喇叭一樣,振膜一般來說是由一片鍍上高阻抗導電材質的 boPET(biaxially-oriented polyethylene terephthalate)薄膜組成,為了達到最佳的工作效率,靜電耳機的振膜往往只有幾個微米厚度,將薄膜懸掛在兩片多孔的導電板(electrodes)之間並充電維持固定電荷。兩片導電板則透過變壓器與音訊裝置連接,當音訊訊號輸入導電板時兩片導電板間就會產生電場,而振膜則會依電場的極性產生前後移動,帶動經由導電板上孔洞進出的空氣來產生聲波。

由於靜電耳機的振膜極端輕薄,在運作的時候幾乎可以無視振膜重量所帶來影響,使得靜電耳機通常能夠輕易將頻率延伸超過人耳聆聽的極限 (約20kHz)。並且由於質均且平面的振膜構造,且振膜在電場中平均受力,靜電耳機也不會如同動圈耳機運作時產生切割失真,擁有高線性且低失真的優勢,使得設計良好的靜電耳機能夠傳遞出優於其他類型耳機的聲音品質。

靜電耳機必須搭配特殊的擴大機使用,來獲得足夠驅動振膜移動的電勢,一般來說約需要100到1000伏特的電勢。雖然使用較高的電壓,但由於靜電耳機並不使用非常大的電流,所以理論上不會對配戴者產生任何觸電的危害。

淺談耳機發展和驅動單體演化史,100 多年來的曲折轉變

▲左圖靜電耳機內部構造示意圖,右圖靜電驅動單體振膜和導電板排列示意圖。

駐極式驅動單體 (Electret Driver)

提到靜電驅動單體就不得不提一下駐極式驅動單體,駐極式耳機大約在西元1970年代出現,最早的技術是由駐極式電容麥克風轉變而來,駐極式驅動單體基本上算是靜電驅動單體的一種。他們的差異就在於駐極式驅動單體的振膜,一般是由Teflon類材質極化而成,駐極式振膜帶有磁性,不須外在充電來具備電荷,有效地降低驅動振膜的電勢需求。並且降低振膜製造的成本,使得少部分駐極式耳機產品,能夠使用一般的耳機擴大機來驅動。

駐極式驅動單體一般是設計給入門級產品使用,所以不論在技術層面或是聲音再生的能力上,往往都落後給靜電耳機,但也並非所有駐極式耳機都沒有好的聲音表現。此外,雖然不斷有駐極式耳機中的駐極體漸漸失去磁性這流言,但據報告少部分超過30年的駐極式耳機目前也還能正常的運作。目前市面上已經沒有知名品牌還在生產駐極式耳機,最後一款駐極式耳機STAX SR-80MX,已是20幾年前的產品。

淺談耳機發展和驅動單體演化史,100 多年來的曲折轉變

▲左圖Sony ECR500駐極式耳機系統,右圖Sony ECR500振膜(圖片來源:Wikiphonia)。

場極式驅動單體 (Orthodynamic Driver)

為了獲得更好的聲音表現,耳機技術改進巨輪是不會停止前進,而耳機驅動單體的技術往往都是由喇叭那邊演化而來。Yamaha於西元1976年將在喇叭上名為場極式(Planar Magnetic) 的技術使用在耳機上,推出HP-1 Orthodynamic耳機。叫做Orthodynamic(以前翻譯等磁式)而非Planar Magnetic,是因為Planar Magnetic已經在1969年由喇叭大廠Magnepan所註冊,所以Yamaha使用Ortho(直接)dynamic(動圈)這個方式來命名自己的平面振膜發聲技術。

場極式耳機(或稱平板耳機)內部配置方式同靜電式耳機相似,使用一片相對大張的平面振膜,懸掛在兩片磁極相對永磁鐵陣列中。和靜電驅動單體運作原理上的差別就在於,場極式驅動單體是藉由改變振膜上的平面電路的磁場來驅動振膜,而非改變兩片多孔的導電板的磁場,導電板在場極式耳機中被永磁鐵所取代,所以整個工作原理看起來更接近動圈驅動單體而非靜電驅動單體。

場極式驅動單體的電路一般是平均分布在振膜上,這使得平板耳機振膜如同靜電耳機的振膜般,在一致性磁場中能夠平整的移動,這使得平板耳機同樣沒有切割失真的干擾。並且由於更大面積的振膜和移動範圍,平板耳機往往能夠提供更加優異的低音,一般來說,平板耳機被認為能夠提供非常高水準的音質表現。

淺談耳機發展和驅動單體演化史,100 多年來的曲折轉變

▲左圖場極式耳機內部構造示意圖,右圖Hifiman HE-6場極式驅動單體(圖片來源:Hifiman 官方網站)。

然而,平板耳機使用的兩面磁鐵陣列讓整體重量一直無法減輕下來,直到最近出現單面磁極的技術才有部分改善,但整體來說還是比大多數同體積的動圈和靜電耳機來得重。再來就是振膜的厚度問題,由於耳機的平面電路是直接黏貼或是印刷在振膜表面上,振膜的厚度和重量也往往無法如其他耳機輕薄。這也使得振膜的高頻響應較差,外加當時平板耳機的生產成本過高,間接導致在70年代後平板耳機無法大量流行。

好在隨著近幾年技術上的改良,上述問題都有顯著的改善,也讓平板耳機越來越受廠商和音樂愛好者的關注,現在已經有HIFIMAN、Audez’e等品牌在生產平板耳機,並且一度代工和生產多數平板耳機的日本Fostex,也重新回到平板耳機的懷抱。

淺談耳機發展和驅動單體演化史,100 多年來的曲折轉變

▲HIFIMAN HE-560單邊磁鐵場極式驅動單體,可以直接看到蛇形印刷電路。

 

(下一頁還有:更多近代耳機與相關產品介紹)

使用 Facebook 留言

幽理之刻
2.  幽理之刻 (發表於 2015年1月15日 13:10)
※ 引述《kirby》的留言:
> 用chrome瀏覽
> "動鐵式驅動單體"這一段
> 有兩行跑出範圍了'

他用
,不是

可能直接複製哪邊的東西吧

幽理之刻
1人給推

3.  幽理之刻 (發表於 2015年1月15日 13:13)
※ 引述《kirby》的留言:
> 用chrome瀏覽
> "動鐵式驅動單體"這一段
> 有兩行跑出範圍了
他用pre,不是p
可能直接複製哪邊的東西吧
而且裡面有很多元素很怪異
像是用p+css做空行
通常是br吧

發表回應

謹慎發言,尊重彼此。按此展開留言規則