【转载】平板耳机电声科普杂谈(一):“是什么”与“为什么”

来源:爱游戏网页登录入口    发布时间:2024-07-23 05:15:21

  近两年,HiFi圈涌现出不少热门的平板耳机,不少烧友也对这种类型器材非常感兴趣。资深烧友梼昧狂客针对这一个话题,从电声科学的方面出发,给大家做了一番硬核科普。本篇是这一系列科普的第一期。

  理论上,平面振膜单元是一种接近完美的设计,常见的有两类,分别为静电吸引驱动的静电单元和电磁力驱动的平板单元。

  这些产品在一样体积的外壳下可以容纳更大尺寸的振膜、大幅度解决分割振动(break-up)和机械滤波(mechanical filtering)等问题、双侧推挽驱动平衡受力具有更低的失真和更高的灵敏度。如果应用于耳机,那就更妙了,平板/静电音箱的8字指向性此时也不再是问题(平板/静电音箱的摆位要求很特殊,常见的品牌有QUAD、MartinLogan、Magnepan,具体可以搜索一下“8字指向性/figure-8 Polar Pattern”)

  听起来很美好,比起瑕疵众多的动圈单元,是不是马上就想换个平面振膜耳机,体验一下真正的HiFi?

  先别急,注意开头的三个字——“理论上”,得能量产制造出具有这种优越性的具体产品才有意义。

  全世界首款量产平板耳机出现于上世纪70年代,而它的线年,有没有想过为什么?

  我说一个最简单、最好理解的——查查看钕铁硼磁铁(NdFeB Magnets)的商业化大量应用是何时开始的吧。

  唉,不对啊,FOSTEX T50不是1974年就量产上市了吗?这玩意不是很多平板耳机厂的启蒙机型吗?国外不是很流行FOSTEX平板耳机MOD吗?不是非用钕铁硼磁铁不可吧?

  当然有别的选择,可选的是什么呢?铝镍钴磁铁(AlNiCo)或者钐钴磁铁(SmCo),但这俩都不是目前的最佳选择。

  铝镍钴磁铁的最大磁能积(BHmax)不够高,制造出来的平板耳机灵敏度低,声音细节也一般。钐钴磁铁价格高昂,而且高性能型号如35E也不如N55钕磁强,它的优点是可工作于高温,但耳机显然不存在高温应用的情况(钐钴磁铁的磁阻低一些,因此一些高级MC唱头仍有使用,感兴趣的话,可以去ARNOLD等磁铁厂商的官网看看)。

  我知道,这么多东西说起来比较乏味,材料科学的问题嘛,我就一个听歌打游戏的,需要关心这玩意?

  对于预算无限,上来就是顶配的氪金玩家来说,不需要关心。名家大厂顶配旗舰肯定没毛病,我也非常支持玩家们一步到位。Caldera、LCD5、SUS、1266什么的,来一个呗,也就几万块钱嘛。

  哈哈,不用你们骂,我都知道这不是“人话”。大多数人做不到这一点,买个稍微便宜的,发现难推,细节层次动态不好,听别人出主意,想办法折腾音源放大器,这才是常态。

  此时,假如你了解我上述所说的磁铁差异,那就能明白——没办法,从物料成本和制造工艺来说,平板振膜类耳机先天就是“贵族”产品。折腾放大器什么的解决不了根本问题,就算耳朵承受得了,不怕振膜过热变形?有动手能力的,可以再一次进行选择拆换强磁铁(B站还有换磁铁的视频可供参考),没动手能力的,趁早加钱下一个吧。

  平面振膜的设计是个“早产儿”,设计很优秀,但供应链水平没跟上,上哪说理去?现在供应链倒是不差了,还有成本呢,对不对?

  我写这篇文章的原因很简单——有些玩家对某个类型的产品有一种盲目的推崇和信仰(也就是“技术崇拜”),这些或许源于商家和一些玩家选择性告诉你的一些东西,从而推导出某些产品的优越性。开个脑放,没问题,但他们没告诉你的那些往往也很重要。而且技术构架先进和实际产品优秀是两回事,一些花里胡哨的“名词”说开了也不是什么新发明。

  我们说的“玩HiFi”,就是要搞清楚这么多东西是什么,有什么特色,适合什么类型的音乐,尽可能发挥电声产品的优势和特色,通过它们实现高品质的音乐重放并获得快乐。

  在产的平面振膜单元耳机有两种——静电耳机和平板耳机,前者由静电吸引驱动,后者由电磁力驱动。(铝带单元是带状振膜,AMT气动单元则属于“压缩单元”中的一种)

  它们都具有“大尺寸平面振膜”这一特色,对于耳机和扬声器来说,大就是好,优秀的低频下潜、充沛的低频动态,都依赖大尺寸振膜。这是物理规律,就算地外科技做出来的3寸音箱,也达不到20Hz -3dB的低频下限。

  当然,市面上搭载小尺寸(通常30-45mm直径)动圈单元的耳机标称频响也不差,由于耳机与人耳耦合度远高于音箱,低频泄露少,因此动圈耳机确实不缺低频。

  除此之外,平面振膜单元能做到大面积且相对均匀的受力驱动,这就能有效解决分割振动(break-up)、机械滤波(mechanical filtering)、延迟(delay)、谐振(local resonances)等问题,尤其是分割振动,它会导致大量的谐波失真。(分割振动简单来说就是——振膜diaphragm的机械特性与理想中的完美模型不一致,振膜发生了局部形变,分割成了多个扇区,以不同的形式进行振动,相关研究很多,搜上述几个英文词即可)

  虽然一直是耳机圈鄙视链顶层,但实际应用和讨论并不多,原因很简单——入门价格高、耳机比较娇贵、需要专用放大器等问题的存在,让很多人没听之前已经被劝退了。而没被劝退的那些玩家,往往又不满足于STAX入门款静电耳机的低频和怪异声场,要好的,听着舒服的,能和其他高级耳机掰手腕的静电耳机,不好意思,009起步,1W多,然后低频表现也就那样(声场问题倒是解决了),X9000算是各方面都很不错了,售价也来到了3W多。

  3W多一只耳机,还需要专配的放大器,说得直白点——这玩意和大多数玩家没关系了,后续在讨论平板耳机的时候,有一些共同的设计特性可能会谈几句。如果想咨询购买建议什么的。哎,实际点的建议是——先问问自己,静电耳机+静电耳放,算上二手的线W起步的预算能不能拿出来,能,那再说下一步使用需要注意的几点什么的。不能,也就不必纠结静电耳机了。

  而且,静电耳机也不是天下无敌。静电耳机的振膜-极板间距非常小(不足1mm),比如STAX的新品SR-X1,振膜-极板间距只有0.5mm,这就导致静电耳机振膜活动冲程有限,做不出那种“汹涌澎湃、豪放霸道”的低频,这是静电耳机的先天不足之一。

  (这也是BHSE等第三方高输出静电耳放有可能损坏静电耳机的原因,振膜振幅过大,打极板上了,和极化电压没关系,Bias都是580V)

  它的英文名称有两个,首先是最常见的Planar Magnetic Headphone,用得最多的说法,中文翻译一如既往地简单粗暴——平板耳机,好家伙,谁家耳机是块板子啊?明明是“膜”好嘛。

  这个说法其实指的是——耳机单元驱动力的来源,动圈耳机依靠活动的音圈驱动振膜,所以叫“动圈”(Moving Coil),平板耳机依靠整面的电磁力驱动振膜,所以也有种说法叫“平面静磁耳机”(德国T+A Solitaire P,它们将这种设计称之为Planar-Magnetostatic headphones)。

  然后是不那么常见的isodynamic headphone,源自日本FOSTEX的说法,国内翻译为“等电动式”耳机。

  这个名词也有些不好理解,它强调的是平板耳机的工作特性,电动式没什么可说的,就是电磁力驱动。关键在这个“等”字上,它表示振膜两面同时受到电磁力驱动,振膜以推挽的方式工作,所以,如果你用的是BTL平衡输出的耳放,再搭配一个双面磁铁配置的平板耳机,那么恭喜你——真正的完成了耳机系统的“全平衡驱动”。(单面磁铁设计的平板耳机,就不属于等电动式单元了)

  历史上,平板耳机的开山之作已经具有现代高性能平板耳机的全部设计特性了,如上市于1974年的FOSTEX T50,虽然不是最早的量产型号,但绝对是影响最深远的一款(强调一下,我说的是T50,不是T50RP,后者于2002年发售,目前已更新到MK4,二者单元差异巨大)。

  T50采取了圆形单元,由定子板固定的双面钐钴磁铁,Kapton材质薄膜振膜,印刷工艺成型的M型平面线圈,开放式设计配合阻尼材料调音,开孔较小的圆形耳罩。这些设计有的被继承了下来,有的被改进了,下面分别解释一下它们的设计特色和现代改进方案。

  这属于典型的刻板印象,AKG K1000的单元就是矩形的,不过它仍然用了个圆形音圈,到了Scan-Speak D2404/552000高音单元,圆形音圈的印象也被打破了,可以改成椭圆形的。在平板耳机中,音圈是平面布局在振膜上,所以单元外形并没什么限制,圆的、方的、半圆不方的,都可以,没有一点问题。

  但是,天马行空的设计往往意味着难以制造和各种未知的问题。T50采取了圆形外壳,此时搭配圆形单元能轻松实现最大的振膜面积,也能够突出平板耳机大振膜的特色。同时,振膜是在一定张力下绷紧固定在框架上的,振膜反复振动,必然造成表面应力不均匀,此时圆形单元也有一些优势。

  这种想法符合大多数玩家和厂商的认知,可问题就出在这个“大振膜”上。振膜越大,单元和腔体也就越大,然后耳机就越沉,佩戴就越别扭。所以部分厂商修改了传统设计,比如耳型单元、矩形单元。

  一种思路是比较直接的,耳型的腔体符合人体工学对吧?要最大的振膜面积对吧?那就简单了,单元也做成耳型就可以了,除了必须的结构件,别的部分都给你布满振膜。但是,请注意看,“有效的”振膜部分其实没那么大,中间那块有线圈有磁铁的部分是受到电磁力驱动的,周围没线圈也没磁铁的部分只是跟随振动而已。

  因此就有了另外一种设计,Dan Clark Audio、AUDEZE等厂商的矩形单元。他们的思路大概能描述成——只要有效振动的部分,排除掉结构件的位置,排除掉耳罩遮挡的位置,剩下的地方布满线、定子板和强磁铁

  平板耳机是三明治结构,磁铁固定于振膜两侧结构件上,中间夹着振膜,但结构件和定子板不是一个意思。定子板(stator plate)在固定磁铁的同时,对磁场进行定向约束,动圈单元中也有同样的组件——“极靴”(Pole piece,俗称“华司”)。

  结构件不导磁,意味着失去了定子板磁场约束的效果,如何让磁场更集中、利用效率更加高?厂商大多在磁铁尺寸、布局疏密、极性排布上做文章。举个例子——AUDEZE开发的Flux Magnetic技术,指的是改变磁铁极性朝向的设计,新款如LCD-5更进一步采用了拼接磁铁。(MEZE宣传的“磁场屏蔽”“磁吸耳罩”“灵敏度提高”,是通过导磁定子板实现的)

  我们可以举几个例子,比如AUDEZE的FAZOR滤音板、ZMF Caldera的梯形磁铁、水月雨启明星的异形磁铁,都有类似的作用,处理方法不一样而已,既可以再一次进行选择异形磁铁,也可以单独设计一个波导组件。基本要求大概是透声面积超过三分之一,磁铁/面板的影响就比较可控了,磁铁间隔大一些,高频相对更平坦更自然,灵敏度可能也稍微低一点,厂商设计单元的时候,需要综合考量各方面的问题。

  平板耳机的振膜非常讲究,首先要轻、薄,然后能承受一定的发热(线圈工作会发热),有一定的弹性(实现较低的F0,满足低频表现),线圈能稳定地附着上去。

  从这些要求来说,T50采用的Kapton薄膜显然落伍了,这样一种材料并不少见,搜一下高温胶带,那种褐色半透明的材料就是Kapton薄膜。目前常见的材料有这么几种——PET(聚对苯二甲酸乙二醇脂)、PU(聚氨基甲酸酯)、PAR(聚芳酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇脂)等等,简单说就是——各种聚酯塑料。它们做成的薄膜比当年的Kapton薄膜轻薄很多。

  我们给一个参考——STAX SR-009静电耳机振膜厚度是0.9μm(900nm)。然后,我们要注意——静电耳机是没有线μm厚。但平板耳机有线圈的,对吧?总厚度必然是微米级别了。这里可以给一个大概参考,主流的平板耳机一般在2μm(2000nm)左右,LCD-5、大都会是0.5μm,飞傲FT5稍厚一点6μm。

  即便算上线圈,现代平板耳机振膜厚度也明显小于动圈单元,达到了接近静电耳机的水平。轻薄的振膜意味着能够迅速振动,高频响应优秀

  我不反对技术崇拜,但是有时候得加点钱,不是说用了平板单元就怎么怎么样的。还有就是“买新不买旧”,哪怕是多年前的知名型号,如今也就别折腾了,请相信工业的进步。

  线圈工艺技术要求厚度均匀、走线干净,是一个很依赖供应链和工业技术的事,不过线圈布局、阻抗、圈数多少就没有一定之规了。

  这里有不少新概念,比如线圈布满振膜的设计,水月雨称之为“FDT全面驱动技术”,只在有效部位安排线圈的设计,初心之声称之为“悬浮线路”。关于这一个问题,我是从另一个角度考虑的,振膜材料是各种聚酯塑料,导体材料是金属箔片,他俩的特性肯定不一样。这么看来,线圈布满振膜的设计中,振膜整体的一致性可能会更好一些?Abyss 1266的振膜就是这样,无效部分也布满金属箔片,可能有这方面的考量。

  低阻要求放大器瞬间电流要跟上,高阻则需要更高的驱动电压,台机做到这两点难度都不大,非要用便携设备玩的话,那就别选阻抗太低的。现在的便携设备,高电压输出很简单,但持续高电流就很难了,机器过热、供电限流之类的问题,很好理解吧?关于放大器的选择判定问题,后面会结合具体产品进行分析和介绍。

  线圈材质也不用纠结,厂商不差那点金属导体成本,哪怕是贵金属,二次回收利用也不是什么新闻。

  厂商在选择线圈材料的时候需要综合考量,成本因素肯定有,但对于良品率较低的平板单元来说,永远是“

  早期平板耳机其实没有振膜褶皱的烦恼,T50采用的Kapton薄膜虽然不够轻薄,但足够坚挺,而且耐高温。振膜出现褶皱的原因有3类:

  这些原因还可以往下分,比如振膜变形,可能是高功率驱动导致线圈发热,振膜受热变形,被狂暴驱动过的平板耳机有可能出现这样的一个问题。也可能是气压不平衡,挤压振膜造成褶皱,此问题通常见于耳罩气密性较高的耳机,完全不打孔的皮质耳罩,快速粗暴摘戴或佩戴耳机时从外侧挤压耳机都可能引起振膜褶皱,严重时甚至会导致振膜破裂。(更换第三方耳罩的时候也应当注意,耳罩气密性越高,摘戴时就要越注意轻拿轻放,静电耳机也是同理)

  单元支撑结构变形则是可能是结构设计不合理,由于磁铁的磁极是相对放置的,所以固定磁铁的前后面板一直都在受力。框架强度不够、固定方式不合理等因素都会导致支撑结构变形,连带着振膜框架也变形了,因此振膜出现褶皱。这问题无解,耳机换新都没用。

  振膜应力不均衡具体可以分成两类,首先是某些厂商追求较低的F0,希望以此实现较好的低频表现,但膜片不够薄、弹性又不够好,那就只能将振膜固定得松弛一些了,使用一段时间后就很容易出现振膜褶皱。解决办法也只能是“下一个”。另一种情况则是耳机单元随使用时长逐渐老化,但振膜不可能所有的老化形变都同步,因此出现应力不均衡的现象,此问题根据不同的线圈布局有不同的体现,有的明显一点,有的不太明显,这样的一个问题也是无解的,但由于自然老化带来的振膜褶皱正常情况下不会造成明显影响。

  现代工艺聚合物振膜耐久性是没问题的(静电耳机最怕的是受潮,电容话筒也是同理),但由于振膜是活动部件,反复振动后的老化是正常的,而老化往往又是不均匀的。换句话说,平板耳机出现轻微的振膜褶皱是可接受的,动圈单元也会老化,只是不像振膜褶皱肉眼可见,煲机(run-in、burn-in)其实就是电声新品快速老化进入稳定状态的意思。

  损坏的原因要么是设计不当,要么是不正确使用(比如高功率音圈过热),某些平板耳机灵敏度确实比较低,但这不等于它的承载功率就足够高,也不等于狂暴输出就能拯救比较差的耳机。其他的类似“轻拿轻放、头发没干不要听耳机、不要用除清水外的溶剂擦拭耳机”等等,则是几乎所有HiFi耳机共同的要求,就不再赘述了。

  我知道,必然有朋友会提到“换线”,对于多路分频的混合式多单元耳塞,我不反对换线玩玩,但平板耳机不一样。前面说了,平板耳机近似于纯电阻负载,实际使用中,大多由低内阻放大器驱动,此时耳机线带来的那点电容负载的影响是很有限的,远没有耳罩的影响和提升大(某些特殊线材,比如JPS的铝合金耳机线,那叫音染,带来的是差异,而非提升)。

  为什么折腾耳罩?这就要从平板耳机的设计说起——平板耳机的主流是开放式设计,而且开放程度普遍很高。这玩意看着有点扯,但理论上还真能说得通。平板耳机具有轻薄的大尺寸振膜,相应的,后腔体结构件造成的气流反射和扰动都会对声音产生一定的影响,我们大家可以参考X9000的设计,它的一个重要改进——背部结构件和防护网做了一个倾斜角度,也还是为了减少这方面的影响。这就和动圈耳机的腔体调音是两回事了(玩阻尼调音的平板耳机也不是没有,比如Dan Clark Audio和ZMF,关于ZMF Caldera后面会单独谈一谈),但后腔能这么整,前面咋办?总不能耳罩也不要了吧。

  所以这耳罩还得用,但T50那种小开孔的薄耳罩肯定不行了,目前主流选择是——大开孔耳罩,采用较厚且不对称的设计提高佩戴舒适性、支撑性、气密性,通过材料组合和部分打孔进行细节微调。这方面的例子非常多,不光有原厂选配件,还有ZMF这样的第三方大厂。接下来具体说一说我是怎么折腾耳罩的。

  不换也不行啊,耳罩撑不住耳机了,不仅会漏气,单元也更贴近耳朵,那声音肯定不对了,放任不管的话,滤音棉也会被耳朵磨破,最后俩都得换。当然,这俩耳机上市时间很长了,淘宝上的廉价的选择多得是,选择ZMF的原因有两点——人造麂皮绒材料与原厂类似但耐久性好很多;ZMF内部填充的Visco海绵回弹和支撑性明显优于原厂。

  ,气密性不够就会漏气,一旦漏气低频就拉胯,我给大家看一个图就知道了——我自己测试的FT5频响。先说清楚,这是我测试漏气的结果,并不是FT5低频有问题,为啥会这样,我用的测试人头有点大,FT5又是个自适应头梁,结果就怎么弄都有点漏气,一旦漏气,低频就这样了,你们可以去看别人测试的频响,低频明显和我这个不一样。

  形状和支撑性这两点有点抽象,简单说吧,耳罩不对称的形状不但可以提高气密性,还能够让耳机单元与耳朵形成一个合适的夹角,减少耳朵反射等因素带来的不良影响。

  有了上面的解释,我相信大体说清楚了平板耳机折腾耳罩的重要性,那么问题来了,同一个厂商,比如ZMF吧,为啥有那么多规格的耳罩?

  材料方面,不同的材料对声音的吸收反射不一样,打孔麂皮绒听感比较自然,打孔小羊皮更现代、更张扬一些,折中主义者能试试混合材料(Hybrid,麂皮绒+小羊皮)。我手里玩耳罩较为方便的是水月雨的耳机,他家的选择就简单,Caldera 打孔麂皮绒,非常好的选择,HIFIMAN的玩家则可优先考虑试试打孔小羊皮(灵敏度其实也会有细微变化,毕竟气密性改善了)。

  本篇说的这么多东西大多偏概念,但我们一定要先搞清楚平板耳机是什么,怎么回事,对它进行祛魅,然后才谈得上如何玩平板耳机。

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