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接上期：耳机知识介绍 不废话，见以下正文： 【摘 要】 介绍了今后耳机的发展方向，阐述了耳机的人机关系，它关系到耳朵佩戴的舒适性。利用声学电路图详细说明了耳机的声学设计，以使对耳机腔体的设计有更深的了解，最后给出了耳机的声学参数和音质的关系。 【一】小型耳机的发展方向（1） 耳机产品更加时尚。现在时尚已经是一个流行的话题，年轻人越来越追求外观靓丽的产品，耳机厂商也看到了这点，大量的“漂亮”耳机不断登场， 来满足他们的视觉需求。不过通常这类产品的售价与音质不成正比，回放效果也只能算说得过去而已。 （2） 降噪耳机。很多耳机都存在漏音的情况，在较为安静的环境下听没有问题，而一旦在嘈杂的环境下使用，人们听到的就不仅仅是美妙的声音了，其他声音就会趁虚而入。尽管目前也有不少隔声效果出众的耳机，但这些产品的价格都异常昂贵，随着技术的不断发展，降噪技术也会应用到中低端的耳机之中。 （3） 耳机的舒适性。耳机的舒适性也是相当重要的，使用耳机的同时如还有其他的活动也要考虑进去，一副耳机不能太紧也不能太松，应可以长时间佩戴。头带和单元的可调整性可以保证不同头部形状和不同用途的使用，专业音频人员有时需要单只单元监听，单元就需要能够旋转，另外线的长度和单元的入线方式也是影响使用的一个因素。在调整头带长度时要注意：头带短，对头顶的压力大，耳罩对头的压力就小，头带长时相反，三点的压力要取得平衡才是最舒适的，对于自适应头带这个问题就不存在了[1-2]。 【二】 耳机的人机关系耳机的人机关系主要关系到耳朵佩戴的舒适性， 因此市面上出现了很多种类型的耳机外形，主要分为以下三类： （1） 耳罩式耳机 耳罩式耳机佩戴舒服，主要是因为耳罩整个把耳朵罩起来，不会压迫耳膜，又能保证低音，如图 1 所示。另外，耳机衬垫会采用特殊材质，如羊皮，可以增加佩戴舒适性。但是不足之处在于，比较笨重，不便于随身携带。 （2） 耳塞式耳机 耳塞式耳机，外径大小和材质对耳朵佩戴影响很大，外径越大泄露越少，但是佩戴时间长，耳朵会疼痛。耳机外缘材质越硬，佩戴就越不舒服。所以耳机外径 16.3 cm 为普通耳机的佩戴尺寸，耳机外缘最好采用硅胶材质，如图2 所示。 还有一种是采用外加的耳塞套，把耳塞式耳机变为入耳式的耳机，这样耳机和耳塞套是分离的，耳塞套可以随意更换，如图3~4 所示。 （2） 入耳式耳机 入耳式耳机主要是把耳塞塞入耳道，使密封更好，低音更强，如图 5~6 所示，但是往往会伤害耳膜， 因此不能长时间佩戴。 还有一种是定制耳塞，根据耳朵轮廓专业定制， 定制耳机起到的是完全100%的降噪、隔声作用，但是价格都比较昂贵。 【三】 耳机的声学设计 耳机按照密闭程度可分为入耳式和非入耳式两种。 3.1 入耳式耳机 入耳式的佩戴密封性更强，所以低音显得更强， 但是由于内外压强不一致的原因，听起来会让耳朵有一种被压迫的感觉。在耳机外形选定之后，主要是扬声器的选定与耳壳的设计，对于单体曲线与装入腔体之后曲线变化的了解非常重要。耳机与扬声器的关系如图7~8 所示。 从图中可以看出，扬声器和装入壳体之后的测试曲线相差比较大，整体曲线的感度上升，其中1 kHz 的感度上升5 dB 左右，低频上升比较多，高频由一个峰变为两个峰。 图9 为耳机腔体示意图，图10 为耳机腔体的声学电路图。图中，Ca 为SPK 声顺；C1 为后腔的声顺；C2 为前腔的声顺；Ma 为SPK 的声质量；M1 为SR 的声质量；M2 为前出音管的声质量；Ra 为 SPK 的声阻；R1 为通气布的声阻；M3 为后盖泄露孔的声质量，根据声学电路图进行分析。 当频率远小于低频共振频率 fo ，即在低频时，前腔的声阻 ZC2 与频率和声容成反比，声容与体积成正比，而前腔的容积又很小。所以，低频时，前腔的声阻很大，近似开路。 前出音孔的声阻 ZM2 与频率和声质量成正比，而声质量与出音孔的面积成反比，一般耳机的出音孔面积很大。低频时，前出音孔的声阻很小，近似短路。所以当低频时，声学电路图可简化为图11。 耳机低频共振频率公式为： （1）式中，fh 为装入耳机壳之后的高频共振频率；Ch 为系统的声顺；Mh 为系统的声质量。因为 Ca 与 C2 串越大时，耳机的低频共振频率 fb 就越低。因此后腔体越大，低频性能越好。 耳机辐射声压公式为Pr = Eg ⋅ BL ⋅ ρSd /2πr (Rg + Re ) ⋅ Ma （2）式中，Ma 为后出音孔的声质量。所以，当开孔的孔径越大，长度越小，低频的感度就会越高。不同腔体的频响曲线如图12 所示。 另外，当前盖开孔时，由于前后盖孔辐射出的声波方向相反，发生干涉，低频感度就会降低。所以，前盖泄露孔越小，低频就会越好。工作原理如图13 所示。 图13（c）中 A 代表反向声波；B 代表正向声波；C 代表A，B 叠加后的声波；D 代表声波最大幅值。
当频率远大于低频共振频率 fo ，即在高频时，后腔的声阻 ZC1 与频率和容积成反比，一般后腔的容积比较大，所以，在高频时，后腔的声阻很小可近似短路。因此当高频时，声学电路图可简化为图14。
耳机高频共振频率公式为
（3）fb = fs ⋅式中，fb 为装入耳机壳之后的低频共振频率；fs 为单体的低频共振频率；C1 为后腔的声容。所以，当后腔联，Ma 与 M2 串联 所以，1/Ch = (1/Ca) + (1/C2),Mh =Ma + M2
（4） 因为 Ca 和 Ma 是扬声器的等效声顺和声质量，当扬声器选定后，fh 只和 C2 及 M2 有关。所以，当前腔V2 很小时，C2 也很小，即 fh 很大。因为 M2 = ρo L/S，所以，当L 很小，S 很大时，M2 很小，即 fh 很大。L 为前出音孔的长度，S 为截面积。 高频共振峰越向后移，高频的延展性就越好，如果知道前腔的容积和长度，可以根据式（4）计算出高频的共振频率点。当高频时，耳壳前腔越小，高频越好。前出音孔越短，截面积越大，高频越好，如图15 所示。
如果后盖没有导音管，前后盖组合全部密封的话， 相当于后腔全密封，这样的话，扬声器在振动的时候，内外压强不一样，振幅就会受到抑制。特别是低频振幅大，受抑制的就大，所以低频就会比较低，如图16 所示。
3.2 非入耳式的耳机 由于有泄漏，低音会相对较弱，但是佩戴起来会相对舒适。耳机与扬声器的关系如图17 所示。扬声器和装入壳体之后的测试曲线相差不是太大，主要是在中高频部分，1 kHz 的感度会下降5 dB 左右，由于密封性好，低频变得平直，由于后腔体的原因，在2~4 kHz 会形成一个共振峰。
3.2.1 耳机后腔体声学分析 耳壳后腔主要影响曲线的中频，装入耳壳后，后腔如果全部密封，不开孔的话，由于腔体共振，1~4 kHz 形成共振峰，如图18 所示。如果后腔开孔，后腔孔的声质量变小，所以共振峰向后移。
耳机腔体参数如图 19 所示。图中，
为中高频共振频率。带入数值后计算当后盖开一个孔时，f=1.9 kHz，当后盖开5 个孔时，f=4 kHz。
耳机中频共振频率计算如下： V0 = 667 m3，N孔 =1个，L=0.88 mm，R=0.5 mm，Ca =4.035 3× 10-12 m 4 ⋅ s2 /kg， Ma = 2 842.929 94 kg/m 4 ，声速V=344 m/s，空气密度 ρ =1.29 kg/m3，共振频率f=1 487 Hz。 耳机中频共振频率曲线如图20 所示。后腔开孔大小的影响如下：开孔变小，声质量变大，就会降低峰值。加通气布，增加阻尼，可降低峰值（一般开4~6 个mm 的小孔）。
这两种方法都可以降低峰值，使曲线平坦，但是孔径变小太多就会近似于后腔密闭情况，反倒不好。因此，一般选用加通气布，可以通过调通气量来使中频更平坦。 3.2.2 耳机前腔体声学分析 图 21 为前盖中间堵孔和不堵孔的测试曲线，前盖中间堵孔的话，会抑制振膜中间的分割振动，所以高频曲线会上升一点。一般前盖开孔为边缘开孔面积比较大，前盖开孔面积为振膜面积的80%以上。
各项参数如表1 所示。 表1 各项参数整理表
【四】 耳机曲线与听音的关系 一般情况下，耳机的曲线会直接反应出其听音的感受，但是也不是绝对的，因为扬声器的膜片、腔体的形状和通气布还会对音色有影响。耳机曲线与听音的关系如图22 所示。
耳机的平衡性对于听音很重要，所以对曲线来说，低频峰值和高频3 kHz 的峰值要小于3 dB，否则试听会感觉高音和低音不平衡。另外，3 kHz 和1 kHz 的感差要大于8 dB，这样声音才会有层次感。 如果低频比较高，可以通过以下三种方案调节： （1） 降低扬声器的低频，简单的方法可以通过增加扬声器通气布的目数来降低低频。 （2） 改变前盖泄露孔的通气布，通过减少通气布的目数来降低低频。 （3） 改变后盖泄露孔的通气布，通过增加通气布的目数来降低低频。 如果高频比较高，可以通过以下两种方案调节： （1）增加前盖出气孔里面泡棉的密度和长度，密度加大，还可以降低5 kHz 左右的峰值，使高频曲线能够更平滑下降，让3 kHz 更加突出。这样高频就会比较清晰，不会太浑浊。高频曲线的峰值如图23 所示。 （2）增加前盖出音孔通气布的目数，降低峰值。
【结论】目前对于耳机的一些声学设计和模拟的论文都较少，经验和理论的结合可以让设计者少走很多弯路，更能节省很多成本。笔者利用声学电路图，详细介绍了耳机的声学设计，应用大量实例图片，让理论和实际更紧密地相结合。 如有错误欢迎点击下方↓留言吐槽批评. |
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