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到更具體的工作原理,就是通電導體在磁場里受到力的作用。
中學的時候,我們學過法拉第電磁感應:磁通量的變化會有電流的產生。比如閉合電路的一部分導體在磁場里做切割磁感線的運動時,就會產生電流,簡單說就是磁生電。
反之亦然,電流也是會產生磁場的。而耳機的工作原理,就是電流的變化產生了變化的磁場,靠磁鐵的運動連帶著振膜產生震動,從而發出聲音。
在耳機里,存在著兩塊磁鐵。一塊是下圖中的強磁性磁體,是一塊永磁鐵,固定在耳機的框架上,是黏牢了不能動的;另一塊是連接著振膜的音圈,是一塊電磁鐵,通電時才會產生磁性,是可動的。
聲音是振膜推動空氣振動產生的。當音頻電流通過耳機線,流過下圖耳機內紅色的音圈時,就會產生變化的磁場,而這個磁場又會和固定於耳機內的永磁材料相互作用,音圈受力產生了不同振幅的運動,從而帶動振膜產生振動,就發出了變化的聲音。這就是揚聲器的工作原理了!
不同耳機把電流變成聲音的過程
按不同結構和工作原理來區分,耳機主要有動圈式、動鐵式、電磁式和靜電式等。
1.電磁式
電磁式耳機是較為古老的一種,如圖1。
它的結構是由兩個線圈分別套在U形磁鐵的N、S兩極上,然後把鐵制振動膜放在上邊(為便於振動,膜與磁極之間留有間隙)並被磁極所吸引。當有音頻電流通過線圈時會產生隨音頻信號同步變化的交變磁場,這個交變磁場使得磁極對振動膜的吸引力隨之發生變化。不斷起伏振動的膜片會推動周圍空氣產生聲波。這就完成了把電流變為聲音的全部過程。電磁式耳機的特點是高阻抗(一般為2000Ω)、高靈敏度。早年的電子管和礦石收音機用的就是這種耳機。
2.動圈式耳機
它的基本結構是把線圈(俗稱音圈)放置於環形磁場的間隙內。當有音頻電流通過時,音圈產生的交變磁場會和環形磁場產生相互作用,從而帶動膜片發出聲音。動圈式是技術最為成熟的耳機,它的特點是阻抗低(通常為幾Ω至數十Ω)音域寬,低頻特性較為優越。根據工藝和材料的不同,價格從幾元至上萬元的都有。它也是市場占有率最高的耳機。
另外還有一種叫「等磁式」的耳機把音圈直接「印刷」到振動膜上,而結構卻有些類似後面介紹的「靜電式」,只不過把固電極換成了一種特殊結構的磁鐵。也有著不錯的音響效果。
3.動鐵式耳機
它的基本結構如圖3所示。
動鐵式耳機的構造有些類似老式收音機里的「舌簧」式揚聲器(當然它的工藝和音效不是「舌簧」式能比的)。它是把由線圈產生的交變磁場通過很薄的U形鐵傳遞至磁極的間隙中,並與磁極發生相互作用然後通過傳導桿帶動「振動膜」發出聲音。它的特點是可以把體積做的很小。用這種結構制成的耳機甚至可以塞入耳道內,這是其它耳機難以做到的,因此在助聽器里用的最多。但它的缺點是音域相對較窄,低頻特性稍差。不過由於體積小,可在一個耳機內放置多個不同音域的單元來彌補這一不足,但這又會帶來一些很複雜的聲學問題。
由於動鐵式耳機小巧精致,對製作工藝要求較高,因此價格不菲,一般都在幾百至數千元。
4.靜電式耳機
這是一種不太普及的高檔耳機。一般最低價位也在幾千元,高檔的甚至賣到幾十萬。它的基本結構如圖四。
工作原理見圖4右側。它的結構非常精細,主要是由幾微米厚帶金屬鍍層的塑膠薄片作為振動膜、懸空夾在兩個極板中構成。工作時振動膜被通上幾百伏的直流電形成靜電場。而經過放大升壓的音頻信號則通往兩個固定電極,並在電極之間產生不斷變化的電場,這兩個電場相互作用驅使膜片振動發出聲音。
由於膜片又薄又輕,又是整體振動,所以對於音樂的細節反映靈敏、瞬態響應好、音域非常寬且曲線平坦,能使各種聲音得到很好再現。但這種耳機的最大不便之處是需配備帶高壓的專用耳機放大器,不能用普通音響設備直接驅動。