【淺談】耳機的聲學設計 & 技術探討

本文源於一篇文章中的回覆作延伸討論,若有錯誤請不吝指正。

正好藉著舊文新發的機會,重新校搞,補充近期熱門的耳機量測翻譯文,請有興趣的人酌量觀看。


高阻抗耳機的優勢
Head-fi - Headphone Impedance:
http://www.head-fi.org/wiki/headphone-impedance
Pros and cons of high impedance headphones:
Headphone impedance is usually increased by thinner wire and most importantly more turns of wire in the voice coil. More turns or loops creates a larger field (area of magnetic influence). In layman's terms more magnetic force for the coil to move the diaphragm. Thinner wire usually works out to a lighter, more responsive diaphragm. Depending on the headphone design, this may lead to more accurate response.

The displacement (amount of movement) of the diaphragm (the part that vibrates to produce sound) can be better controlled via a more accurate flux (magnetic field to pull and push the diaphragm).

Difficult to drive for small headphone amps with low output voltage and low gain.
Most high impedance headphones need an amplifier with higher voltage gain and higher output voltage, e.g. the 600 ohm Beyer DT770/880/990 series.

Allow Solid State Op Amps to work more efficiently with less distortion. Have a look at Op Amp data sheets and a graph of distortion vs. output impedance for most audio Op-Amps and you'll get the idea. This is a very complex subject, but most Op Amps are designed to output (typically) up to 10 Volts into 600 ohm loads or higher.

1. 因為更加精確的磁束,為了讓振膜在行程中更好地控制住,這會讓低頻表現更加精確優秀。

高密度且精確的磁束,令振膜的「推拉」更穩定更容易控制,透過最佳化磁路磁束分佈的方式,讓音圈在磁隙間的運動更平順、更快速,簡單之,正是讓推動振膜的力道更平順均勻,Permendur 鐵鈷合金磁驅系統或 Tesla 磁路系統均是運用類似的原理,達到相同的目的。

【淺談】耳機的聲學設計 & 技術探討
▲Tesla 技術示意圖,引用於 beyerdynamic 官網。

2. 音圈採用不同繞法,或者纏繞圈數愈多,都會增加單體的阻抗。纏繞更多圈或更多層,可以加大音圈影響的區域,能讓音圈運作得更有效率。

我想這是為何 beyerdynamic T1 是高阻抗的原因了,不過電磁鐵纏繞的圈數愈多,磁力愈強,相對地產生電感的問題。


耳機設計技術面探討
引用於耳機俱樂部相關文章,原連結已失效。
beyerdynamic 這類開背式設計,除了直接發聲的單體外,一部分低頻段的量感、延伸是靠被動發聲的結構補足,腔體結構、單體旁那圈障版雙層結構的耳罩……等,需要一段時間讓各種材料的特性磨合、穩定下來。這種設計很接近今日我們常常講的低音反射式喇叭,其實是低音反射構造的一種變化、特化形式。

優點是高效率,單體的負擔較為輕鬆,亦能有足夠的低頻量感、下潛。缺點是整個發聲系統的變數太多,需要磨合期讓系統的各項因子趨於穩定,這就是俗稱的 Burn-in。原因是特定材料的性能,剛開始往往過於緊緻,反應在聆聽上則是三頻各行其是、頻段間的銜接不良,一段時間之後才會進入正常狀態。

再來,這類低音反射結構的調整不易,實際上是以特定頻率為中心,「拉抬」一段頻段,而在目標以外的頻段衰減會很快,調整不好的話,容易被人聽出頻段銜接的空缺。而低音反射結構也容易讓人聽出頻段速度的不一致,以及多餘的氣流聲、共鳴聲之類的,也就是我們常說的「箱音」「筒音」

beyerdynamic 的解決方案就是以腔體基本封閉,以開鑿低音反射孔的結構為前提,儘可能地簡化結構,連反射管都沒有,Ultrasone 則保留了「低音導管」的形式。

DT880、DT990、T1 都是「開背式」耳機,也是俗稱的開放式耳機,其原理並不是架構在單體裝箱的前提,而是把單體鑲在一面障版上。Sennheiser 稱為 Open-air,beyerdynamic 稱為 Semi-open,AKG 稱為 Open-back,指的正是同一件事。

這類結構用在耳機上,有兩項優點,其一是讓單體的背波能順利擴散出去,不會在腔體內相互反射 ; 其二是沒有完全隔絕外在的環境音,聽感自然且開放。

以最普通的軟半球單體而言,音圈內的振膜區域,失真成份通常比較低,音圈外的振膜區域失真成份通常比較高,beyerdynamic 則透過腔體結構安排,讓音圈內失真比較低的振膜背後的聲波透出去。

音圈外圍失真成份較高的振膜背後則封住,以吸音棉處理掉不要的背波,而單純利用密閉空氣的振動去補強低頻段的量感與延伸。

當然實際情況不是那麼簡單,設計的時候,甚至要為不同區域的振膜作配重,AKG 的異厚振膜、DT770 / DT880 / DT990 的瘤狀紋理振膜、T1 的氣泡狀振膜,目的其實差不多,採用的方法不同而已。

綜合以上,beyerdynamic 利用高效率的磁路系統、音圈的纏繞圈數、封閉的腔體、低音反射孔...... 等設計進行調音,不過僅以低頻而論,「密閉空氣」能做有效地補償,這也是為何鐵三角的 D.A.D.S. 構造,只出現在封閉式耳機而非開放式耳機(A2000X、A1000X、A900、A700、A500……)。

L3000、W2002、W3000ANV、W5000、W1000X......等鐵三角高階封閉耳罩,這些耳機的外殼木材材質皆不同,雖是如此,部分型號如 W1000X 運用外殼上的空氣導孔以改善低頻,透過不同深度來調節聲音。

關於 D.A.D.S. 結構(雙層空氣緩衝系統),按照鐵三角的型錄說明,個人理解是 : 利用兩層構造的機殼,壓縮振膜與空氣間的距離,達到低頻凝聚的目的。鐵三角自家的 CKS 系列所搭載的雙氣室技術,也有異曲同工之妙,這讓我想到 Ultrasone 的三重獨立導管設計是否也是類似原理?

另外耳罩確實有改變聲音的作用,MDR-XB1000 即是運用超大耳罩完整地包覆耳朵,更加密閉地傳導空氣,不至於逸散。然而,70mm 巨大振膜對於低頻的影響甚鉅,MA900 也繼承此項特性,不過 MA900 為全開放式設計,而且遍佈透氣孔的耳罩,有提升「聲音在耳罩內的反射與吸收」的效果,因此需要藉由「低音透鏡」來集中低頻。

至於鐵三角 CKS、WS 系列的 SOLID BASS SYSTEM 亦是類似原理,除了磁氣迴路等高端技術外,其他方法不外乎 : 巨大振膜、低音透鏡、雙氣室、密閉耳罩……等,由於所學未深,便不深入探討下去。


旗艦耳機量測總集
The State of Flagships:
http://www.erji.net/read.php?tid=1588606&fpage=0&toread=&page=1

內文是近期國外的一篇熱門文章翻譯,透過量測數據評比耳機設計的優劣,但不能代表真正聽感表現,僅供參考。

簡略地說,場極式和靜電式有著先天上的優勢,因此在量測的某些項目獲得高分,通常場極式強項在於低頻弱項是高頻,靜電則反之,不過 STAX、HiFiMAN、Audeze 都補全自身技術上的不足,這點值得肯定。

動圈部分,HD800 做得非常之好,唯一獲得 A+ 評分的動圈式耳機,Sennheiser 的聲學設計確實高超,擁有平緩的低頻響應與極低的失真率,為動圈技術創造了新的亮點,不免讓人滿心期待若干年後的新任旗艦。

PS1000 之所以低頻失真極高,完全是因為低頻的延伸幾乎消失了,所以量測後結果自然慘烈。

SRH1840 雖然全頻段的失真極高,但卻是少數我聽過具備現場感的耳機,因此從量測數據上,僅能部分地了解耳機的特性,必須實際聆聽才能做出評斷(牽涉到個人喜好),所以當作額外的參考即可,不用認真看待。

zhang230631 wrote:
本文源於一篇文章中的...(恕刪)


看到Roger大的名號就值得幫您加分了~何況這麼用心的寫這些東西
缺點先說好了~您最底下的AA連結那個串子看起來只會令人頭昏腦脹
尤其像我這種沒有電子學底子的人來說~更是如此

所以在這邊小弟想要簡單說耳機的好不好推~從理性層面切入
耳機因為跟耳膜距離很近~它不需要跟喇叭一樣的要求
尤其它如果又是在家中房間使用~靈敏度問題可以無視
也不需要大電流~只要足夠跟感抗(反電動勢)抗衡就可以了
阻抗問題也不直覺的越低越好~反而是越高越好~就是阻尼因素越高越好
耳機的難推~通常還是在阻抗曲線的變化跟相位角的變化
這些要求~讓耳機有一個專用擴大機顯得理所當然
尤其是具有以下特質的:例如管機(特性是擅長電壓放大)
平衡(兼顧輸入輸出~加上多了6分貝的增益)..等更顯適合


少林武功蓋天下 地球動圈出敗耳

地球動圈耳機正宗中的正宗 敗耳動力Tesla No.1,其他星球就不清楚了,over+N
ju5888 wrote:
看到 Roger 大的名號就值得幫您加分了~ 何況這麼用心的寫這些東西
缺點先說好了~ 您最底下的 AA 連結那個串子看起來只會令人頭昏腦脹
尤其像我這種沒有電子學底子的人來說~ 更是如此

所以在這邊小弟想要簡單說耳機的好不好推~ 從理性層面切入
耳機因為跟耳膜距離很近~ 它不需要跟喇叭一樣的要求
尤其它如果又是在家中房間使用~ 靈敏度問題可以無視
也不需要大電流~ 只要足夠跟感抗 (反電動勢) 抗衡就可以了
阻抗問題也不直覺的越低越好~ 反而是越高越好~ 就是阻尼因素越高越好
耳機的難推~ 通常還是在阻抗曲線的變化跟相位角的變化
這些要求~ 讓耳機有一個專用擴大機顯得理所當然
尤其是具有以下特質的: 例如管機 (特性是擅長電壓放大)
平衡 (兼顧輸入輸出~ 加上多了 6 分貝的增益).. 等更顯適合

電子學我學過一點,算是有些基礎的概念,不過 RogerShih 的文章,確實需要一點基本功,看起來才不會吃力。


回應您的回覆,靈敏度又稱作音壓感度,指的是耳機對於輸入訊號的反應程度,阻抗不變的情形下,靈敏度愈高,愈容易得到正常的音壓,雖然只是個規格指標,但仍然可以當作參考,周遭環境的噪音對於大部分的耳機,尤其是開放式確實有影響。

唯一值得注意的是靈敏度背後的單位,通常為 dB/mW(驅動於耳機達 1mW 的功率時,所產生的的聲壓級),不過有些廠商會標成 dB/Vrms (以 1Vrms 電壓驅動耳機時,所產生的聲壓級)。


關於耳機阻抗大小,究竟是愈大愈好?還是愈小愈好?個人不敢蓋棺論定,查了阻尼因數的定義,是指擴大機控制單體的能力指數,尤其指低音單體,請見下方公式,還忘版大指教:

阻尼因數 = 喇叭負載阻抗 / (擴大機輸出級內阻+喇叭線端子阻抗+喇叭線阻抗)

附帶條件:
晶體機內阻小,真空管機內阻大。
阻尼因數愈高,則擴大機對單體的控制力愈強。

引用來源:音響共和國 - 音響 AV 聖經


因此表示,晶體機對單體的控制力優於管機,以及前端阻抗不變的情形下,喇叭(耳機)負載阻抗愈大,則阻尼因數愈大,對單體的控制力也就愈強,可是並不能證明低阻抗的喇叭(耳機)比高阻抗好。


關於平衡輸入/輸出,曾聽人講解過,也上網查了些資料:平衡傳輸會將波形反相,即為相位反轉 180 度,將正極傳送原本的正相波形,負極傳送反相的波形。

兩者在傳輸中會串入相同的雜訊,至接收端,再將反相的波形轉 180 度,轉回原本的正相,和另一端的正相波形疊合。

不過由於兩者在傳輸中都串入了相同的雜訊,受到相同的雜訊干擾,因此當反相波形旋轉 180 度後,串入的雜訊波形也會旋轉 180 度,變成雜訊的反相,這樣"反相的雜訊"和另一端"正相波形包含的正相雜訊"相抵銷,實際聆聽上,「黑位」更明顯,背景更寧靜。
文字潔癖症患者 「索尼大法」基本教義派 「松下科技」堅貞信仰者。
zhang230631 wrote:
電子學我學過一點,算...(恕刪)


記得之前有跟職訓中心的老師討論過,後來的結論是:耳機不是喇叭,用喇叭的想法來看耳機會誤差很大。

現在的耳機沒有你說的這些問題了,隨便搭都可以聽,只是看個人聽感。我在想,原因可能是80年代後期的耳機阻抗大幅降低,又提升效率,所以傳統阻抗問題已經不存在,阻抗問題只存在於200~600歐姆以上的耳機。

我有試過AKG K702、K601搭Sony D-E800,完全可聽沒問題,聲音都有達到標準。唯一沒有達到表準的是Sony專用接頭,Sony D-E800的線控不是3.5mm的....

gameguy wrote:
閱少林武功蓋天下 地...(恕刪)

GG 大您好。
文字潔癖症患者 「索尼大法」基本教義派 「松下科技」堅貞信仰者。
Loompster wrote:
記得之前有跟職訓中心...(恕刪)

我認為高低阻抗還是有差異的,當然由於技術的進步,動圈耳機的效率比動圈喇叭高出甚多,並沒有太過難推,只是以現今的隨身訊源而言,輸出能力卻不見得增長。

附上 beyerdynamic 官網對於阻抗的解釋:
高阻抗耳機的「振膜、音圈」的總和質量通常輕於低阻抗耳機,也由於質量較輕,所以振膜運動得更快更容易。

一方面細銅線的阻抗比起粗銅線高,另一方面單體的驅動力視音圈的纏繞圈數而定,低阻抗的耳機勢必使用線徑較粗的音圈,而且纏繞圈數較少。

總地來說,低阻抗耳機的質量(振膜、音圈)往往高於高阻耳機。

文字潔癖症患者 「索尼大法」基本教義派 「松下科技」堅貞信仰者。

好文一推
話說找不到版主臉書啊
放上來吧
M50S ER4P K701 SONY PCM M10
zhang230631 wrote:
我認為高低阻抗還是有...(恕刪)


我覺得沒有差別啦,唯一有差的耳機是200~600歐姆,甚至於更早的4000歐姆,直接寫喇叭阻抗的耳機,耳機阻抗低於200就還好。

播放器的話因為現在都講求環保,輸出都大幅度降低,除非搞真空管播放器,不然還真的差異不大。
單純收藏不討論順便幫推

在車上又多一篇好文可以看了 謝謝
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