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从最早几乎无法想象在何时何地都能够享受音乐的年代，到现在随处都可以见到有人带着耳机在街上聆听音乐，聆听音乐的方式和过往有显著的转变，随着科技的进步和娱乐媒体的发展，音乐渐渐成为大家生活所不可分离一部分。音乐播放装置的体积越来越轻巧，这也驱使着最末端的发声元件产生剧烈变化，从只能定点聆听音乐的音箱，进化到今日几乎每个人都拥的耳机，音乐的聆听方式有了多样化的选择，但其中最便利的聆听音乐方式就属耳机莫属。
耳机普及始自Sony
耳机的普及化很大一部分功劳要算在Sony身上，在1979年出现的第一台价格合理且轻便的随身播放器Walkman TPS-L2，就此敲开随身耳机进入消费级市场的大门，使得耳机产品大举进入大众的生活中。但是耳机的起源远早于1979年，就如同今日多数的消费级电子产品，现在常见的耳机是源自于军事需求，并不是为了让一般大众聆听音乐而设计。 Sony开创了随身音乐世代，Walkman至今仍然深深烙印在许多人心中。（图片来源：网络资源）▲
随着耳机不断的演进，多种不同的内部驱动单元也随之发展出来，虽然基础原理方面并没有重大的变化，实际达成发声的构造却有很大的不同，并且每种类型都有其发展的背景，同时也拥有其自身的优缺点。
对于耳机有研究的玩家，一定对耳机的发展和起源有着浓厚的兴趣，并且应该也希望能够更了解不同驱动单体的差异，底下我们先来闲聊一下耳机的历史和起源，和浅谈耳机内部驱动单元的演化。 耳机起源已超越100年 耳机的历史到现在已经有一百多年，从开始的特殊用途，到后来成为个人聆听音乐的工具，中间经过非常大的转变，我们底下将先介绍耳机概念的起源和演化史。 耳机前身因概念而异 如果不限于音乐聆听用途，最早的拥有耳机概念的产品始于1881年，由Ezra Gilliland所发表的一种利用支架放在肩上，包含通讯设备和单边耳罩接收系统的Gilliand harness，主要用途是给19世纪的电话操作员使用，虽然并非是用来聆听音乐用的工具，但已经具备耳机基本的概念。 中图歌剧院立体声聆听系统（Théatrophone）宣传海报（图片来源：网络资源，作者：Jules Chéret 1836～1932）
如果将耳机的概念限于个人聆听音乐的工具，公元1881年在Scientific American期刊上由Clément Ader所发表的歌剧院立体声聆听系统（Théatrophone），聆听者手持两个发生单体放在两侧耳朵旁，用来模拟一个立体声的声乐系统，可能算是最早用来聆听音乐的耳机系统。
虽然Théatrophone已经拥有耳机系统该有的原型，但如果再将耳机更侷限到家用音乐聆听系统，并且主要是聆听回放音乐的用途，那公元1895年出现的Electrophone家用音乐聆听系统，可能就更接近现代耳机的原型，Electrophone系统的听筒是由手持支架的方式来放置在耳边，和现在的耳机还是有不小差距，在当时是中产阶级以上的家庭才有机会拥有。 头戴式耳机起源
而第一款头戴式耳机的出现基本上是众说纷纭，不同的品牌都宣称自己是最早的耳机发明始祖，像是美国品牌Koss就提到第一款立体声头戴式耳机，是由John C. Koss在公元1958年所发明，或是Beyerdynamic宣称公元1937年出现的Beyerdynamic DT48，是人类历史上第一对头戴式动圈（dynamic driver）耳机。
但这些均是在有条件下的第一，如果要追朔到初始的头戴式耳机，不少文献指出头戴式耳机的起源，应该是公元1910由Nathaniel Baldwin所制造的第一款头戴式耳机。如同我们上面说的，耳机起源是由军事用途来的，这款耳机是Baldwin在自家的厨房中设计出来，主要是贩售给美国海军监听无线电使用的耳机。
入耳式耳机起源 左图Mercadier注册的入耳式耳机听筒（美国专利号U.S. Patent No. 454,138），右图Mercadier免持式入耳式听筒使用示意图（图片来源：Vintage Telephones of the World）。▲
比较有趣的是，如果将现在还在流通的各种类型耳机都考虑进去，就文献可以找到的资料，第一款拥有现代随身耳机概念的创造物，是由法国巴黎的工程师Ernest Mercadier，在公元1891注册专利的产品（美国专利号U.S. Patent No. 454,138）。里面提到发明了一种可以轻便携带使用，体积大小大约一又四分之三吋，适合放入耳道内配戴的电话听筒，这基本上就是现在所常见入耳式耳机的样式，非常意外的是第一款拥有现代耳机概念的产品，居然是入耳式耳机！
近代耳机和驱动单元演化史
近代耳机的外型基础，从最初的Baldwin耳机到现在，头戴式耳机在基本构造上已经没有非常显著的变化，但是在后续的演化过程中，内部的驱动单体却有着不断的改进和突破。在驱动单元的转变中，使用的发声原理大致上大异其趣，但是实际达成方式又有着根本上的不同处，我们底下会先简略介绍耳机的发声原理，接着再藉由耳机历史的带领下，来和各位介绍驱动单元的演化史。 耳机发声的原理 耳机发声的基本原理就是将电能转换为机械能，再由机械能转换成声波，当耳机接收到电讯号后，将传递进来的电讯号送到驱动单体或者说换能器（Transducer），然后再藉由换能器将电能转化为机械能来带动驱动单体振膜。由于声音是藉由物体震动带动周边空气压缩而产生，所以藉着驱动单体振膜的震动就能发出声音，整个过程也常被称为电声转换，而耳机的驱动单体就是一种电声转换器（electro-acoustic transducer）。 动铁式驱动单元 （moving iron driver）
公元1910出现的Baldwin耳机，算是第一款正式采用头戴式设计的耳机产品，但是早期的耳机驱动单元，和现在常见的驱动单体却有着很大的不同。Baldwin耳机并非使用现在大多数耳机搭载的动圈单元，而是使用当时音箱中常见的动铁单元（moving iron driver），就Baldwin自己的信中写道，Baldwin耳机为了配合美国海军通讯设备使用，其阻抗大约为2,000欧姆。
左图动铁区动单体工作示意图，右图动铁区动单体内部构造示意图。▲
动铁单元除了应用在最早的头戴式耳机中外，此种单元类型也是最早的音箱单元之一，拜尔（Bell）在1870年代所发明的电话听筒也是使用此技术。动铁单体由一个和振膜连结的衔铁（Armature），搭配上永磁铁和绝缘线圈组成，在永磁场中的线圈围绕着衔铁形成一个电磁阀，当音讯讯号传递入线圈时，导入的电流让线圈产生磁场变化而牵动衔铁产生摆动，再藉由衔铁将震动传导到振膜来产生声波。
动铁单元多为方型，而且相当细小，一只入耳式耳机可放置多个单元▲
动铁单元由于必须驱动衔铁来发声，在大尺寸动铁驱动单元中，衔铁过于坚硬而无法拥有足够的移动范围来表达低频率声音，并且衔铁的的重量也严重影响到震动的最高频率，而无法成功再生高频率范围，这使得动铁单元在1925年后，广泛的被Edward Kellogg和Chester Rice发明的动圈 （Moving-coil） 驱动单元所替代。
动圈式驱动单元 （Moving coil driver） 从公元1937年，由Eugen Beyer设计的第一款动圈式耳机Beyerdynamic DT48面市以来，动圈式耳机驱动单元由于技术成熟且生产成本较低，使得目前市面上绝大多数耳机都属于这个类型。 动圈式（Moving-coil）的英文更常被写做为Dynamic，其发声原理一如其名，一个处于永磁场中的缠绕圆柱状线圈连结在耳机的振膜上，当线圈中的电流发生改变时，环形线圈就会产生磁场来和永磁场发生交互作用。如同佛莱明左手定则（Fleming's left hand rule，又称电动机定则）所示，在磁场中的线圈会受力产生位移进而带动振膜震动，而震动的振膜再驱动周边空气产生声音。 上图动圈耳机单体爆炸图（图片来源：Sony官方网页），下图动圈驱动单体内部构造示意图。▲
耳机中的永磁场一般由铁氧体磁铁或是钕磁铁，搭配周围金属组成磁气回路来提供，振膜则常由质轻且高硬度质量比的材质组成，从塑胶聚合物（如PE、PEI等等）、复合纤维（木质纤维、化学纤维、生物纤维）到碳纤维等材质等均有。由于部分材质如塑胶聚合物的刚性较差，使得大多数塑胶聚合物振膜上，有摺痕来增加振膜的刚性。
在耳机中，振膜边缘往往直接固定在驱动单元的框架上，由振膜本身材质的伸缩能力和摺痕的变化来提供力顺。但在少部分耳机，如Denon的D2000、D5000和D7000等，则具备如同音箱振膜悬边的弹性介质，由弹性介质提供振动系统的力顺。 一如所有类型的驱动单元，动圈式耳机驱动单体振膜的材质、形状和折痕都影响着最后的发声质量，磁气回路在其中也扮演着重要的脚色。由于动圈式驱动单体的技术已经非常成熟，所以目前的改良方式大多集中在增加磁场密度，和改善振膜的物理特性为主。 立体声耳机 （Stereo headphones） 到第一款动圈耳机Beyerdynamic DT48出现的时候，耳机已经有超过25年的历史，但是由于技术力的限制，当时市面上的耳机都还是以单声道（mono）形式存在。主要也是因为当时的录音也大多是单声道录音，而且DT48设计初衷和现在耳机用来聆听音乐的目的不同，代号中的DT是Dynamic Telephone缩写，主要是电话接线员和专业工作使用，所以当时生产耳机的目的并不是用来重现高质量音讯。 直到公元1957年，美国Audio Fidelity Records公司第一次将立体声导入商业唱片领域后，双声道立体声才渐渐成为聆听音乐的主流规格。而在次年，耳机被发明将近快50年后，立体声耳机才正式出现在市面上，John C. Koss和Martin Lange利用了一项突破性的设计将耳机市场完全改变，制造出第一款立体声头戴式耳机Koss SP-3。 接下来的后继耳机也自然地采用这立体声设计，不过由于当时的扩大器和重播装置都非常的笨重，当时的耳机基本上还无法像现代耳机，拥有随处使用的轻便性。 静电式驱动单元 （Electrostatic driver）
到了1959年，日本东京Stax公司设计出了全世界第一款静电耳机STAX SR-1，由于早期静电耳机不易保养，目前还能够运作的SR-1应该是屈指可数。随着STAX推出电式耳机后，各大品牌如Beyerdynamic、Sennheiser、Sony、松下、先锋、Koss等，也都推出了自家品牌的静电耳机产品。
但由于研发经费和生产成本较高昂，静电耳机的市场渐渐被技术成熟且价格低廉的动圈耳机所压缩，最后各大品牌逐渐放弃静电耳机的研发和生产，目前市场上只剩下漫步者（Edifier，漫步者在2011年以现金方式收购STAX所有股权），和Koss还在生产静电耳机产品。 左图静电耳机内部构造示意图，右图静电驱动单体振膜和导电板排列示意图。▲
静电式驱动单元的发声原理和静电音箱一样，振膜一般来说是由一片镀上高阻抗导电材质的boPET（biaxially-oriented polyethylene terephthalate）薄膜组成，为了达到最佳的工作效率，静电耳机的振膜往往只有几个微米厚度，将薄膜悬挂在两片多孔的导电板（electrodes）之间并充电维持固定电荷。两片导电板则透过变压器与音讯装置连接，当音讯讯号输入导电板时两片导电板间就会产生电场，而振膜则会依电场的极性产生前后移动，带动经由导电板上孔洞进出的空气来产生声波。
由于静电耳机的振膜极端轻薄，在运作的时候几乎可以无视振膜重量所带来影响，使得静电耳机通常能够轻易将频率延伸超过人耳聆听的极限 （约20kHz）。并且由于质均且平面的振膜构造，且振膜在电场中平均受力，静电耳机也不会如同动圈耳机运作时产生切割失真，拥有高线性且低失真的优势，使得设计良好的静电耳机能够传递出优于其他类型耳机的声音质量。
静电耳机必须搭配特殊的放大机使用，来获得足够驱动振膜移动的电势，一般来说约需要100到1000伏特的电势。虽然使用较高的电压，但由于静电耳机并不使用非常大的电流，所以理论上不会对配戴者产生任何触电的危害。 驻极式驱动单元（Electret Driver） 提到静电驱动单元就不得不提一下驻极式驱动单元，驻极式耳机大约在公元1970年代出现，最早的技术是由驻极式电容麦克风转变而来，驻极式驱动单元基本上算是静电驱动单元的一种。他们的差异就在于驻极式驱动单体的振膜，一般是由Teflon类材质极化而成，驻极式振膜带有磁性，不须外在充电来具备电荷，有效地降低驱动振膜的电势需求。并且降低振膜制造的成本，使得少部分驻极式耳机产品，能够使用一般的耳机放大机来驱动。 驻极式驱动单元一般是设计给入门级产品使用，所以不论在技术层面或是声音再生的能力上，往往都落后给静电耳机，但也并非所有驻极式耳机都没有好的声音表现。此外，虽然不断有驻极式耳机中的驻极体渐渐失去磁性这流言，但据报告少部分超过30年的驻极式耳机目前也还能正常的运作。目前市面上已经没有知名品牌还在生产驻极式耳机，最后一款驻极式耳机STAX SR-80MX，已是20几年前的产品。 场极式驱动单元（Orthodynamic Driver） 为了获得更好的声音表现，耳机技术改进巨轮是不会停止前进，而耳机驱动单元的技术往往都是由音箱那边演化而来。Yamaha于公元1976年将在音箱上名为场极式（Planar Magnetic） 的技术使用在耳机上，推出HP-1 Orthodynamic耳机。叫做Orthodynamic（以前翻译等磁式）而非Planar Magnetic，是因为Planar Magnetic已经在1969年由音箱大厂Magnepan所注册，所以Yamaha使用Ortho（直接）dynamic（动圈）这个方式来命名自己的平面振膜发声技术。 场极式耳机内部构造示意图▲
场极式耳机（或称平板耳机）内部配置方式同静电式耳机相似，使用一片相对大张的平面振膜，悬挂在两片磁极相对永磁铁阵列中。和静电驱动单体运作原理上的差别就在于，场极式驱动单元是藉由改变振膜上的平面电路的磁场来驱动振膜，而非改变两片多孔的导电板的磁场，导电板在场极式耳机中被永磁铁所取代，所以整个工作原理看起来更接近动圈驱动单元而非静电驱动单元。
场极式驱动单元的电路一般是平均分布在振膜上，这使得平板耳机振膜如同静电耳机的振膜般，在一致性磁场中能够平整的移动，这使得平板耳机同样没有切割失真的干扰。并且由于更大面积的振膜和移动范围，平板耳机往往能够提供更加优异的低音，一般来说，平板耳机被认为能够提供非常高水平的音质表现。
然而，平板耳机使用的两面磁铁阵列让整体重量一直无法减轻下来，直到最近出现单面磁极的技术才有部分改善，但整体来说还是比大多数同体积的动圈和静电耳机来得重。再来就是振膜的厚度问题，由于耳机的平面电路是直接黏贴或是印刷在振膜表面上，振膜的厚度和重量也往往无法如其他耳机轻薄。这也使得振膜的高频响应较差，外加当时平板耳机的生产成本过高，间接导致在70年代后平板耳机无法大量流行。 好在随着近几年技术上的改良，上述问题都有显著的改善，也让平板耳机越来越受厂商和音乐爱好者的关注，现在已经有HIFIMAN、Audez’e等品牌在生产平板耳机，并且一度代工和生产多数平板耳机的日本Fostex，也重新回到平板耳机的怀抱。 如果说哪一个时间是耳机历史上最重要的一刻，那1979年Sony推出Walkman TPS-L2的时刻可能就是其中之一，更重要的是TPS-L2同捆的Sony MDL-3L2耳机，正式打破耳机又大又重的传统概念，让耳机成为随身音乐时代最具代表性的产品，而在后续的1980年代，耳塞式 （earbud） 和入耳式 （in-ear） 耳机也相继出现。
文章转载自： https://www.techbang.com/posts/21742-on-developing-and-driving-single-headset-evolution-concept-was-born-more-than-100-years-driven-single-variety-computer-kings-125-december-2014-the-special-report?page=2 作者：Yazi
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发表于 2018-10-19 11:25
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