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為什麽耳機塞緊了低音更明顯?

2014-07-10科學

在耳機塞緊與外界幾乎無連通的情況下,人耳接收到的聲壓大小與喇叭單元振動體積位移成正比;有泄漏的情況下,人耳接收到的聲壓大小與喇叭單元振動體積速度成正比;泄露嚴重或者說類似音箱輻射的情況,人耳接收到的聲壓大小與喇叭單元振動體積加速度成正比。

為便於解釋,不考慮喇叭在不同泄漏情況下振動的變化(其實是變化的,但不影響結論),即振幅不變。喇叭單元振動體積位移=體積速度/角頻率=體積加速度/角頻率的平方,所以塞緊的情況下低頻加重了。附圖為耳塞式(earbud)耳機不同泄漏程度的頻響曲線對比,非常明顯。另一個圖展示了泄漏的來源。



下面用一個類比來說得更形象一些:

耳機發聲-人耳接收這個過程可以看作是用手堵住針筒的出口。針筒的活塞相當於耳機的喇叭單元,手覆蓋在出口處的皮膚相當於鼓膜。如果針筒不漏氣,那麽推動針筒活塞壓縮筒內的空氣,手覆蓋在出口處就能感受到壓力的增加,活塞被推動了多少,壓力就上升多少。如果針筒漏氣,那緩慢推動活塞,並不會增加針筒內的壓力,手也就感覺不到壓力的變化;而快速推動活塞,盡管漏氣,手依然能感受到壓力的變化。換句話說,針筒漏氣時活塞的運動要更劇烈才能引起針筒內壓力的變化,並讓覆蓋在出口處的手感受到這種變化。

P.S. 以上解釋為便於說明做了簡化,不夠嚴格,有興趣的可以自己學習。

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鑒於看到很多朋友並不了解耳機和音箱的差別在哪裏,我這裏還是貼幾幅圖展示一下基本原理,感興趣的朋友可以看看:

首先是音箱在自由場中的聲壓。如圖中公式所示, 音箱在某點產生的聲壓p是正比於體積加速度VolAcc的, 同時註意看單極子輻射的是球面波,聲壓大小與距離成反比。

再來看耳機在耳道中工作的簡化模型。此時的情況形同一個無泄漏的壓力室(pressure chamber), 內部的聲壓p正比於體積位移S*x, 並且註意pressure chamber內的聲壓在長波近似下是均勻的,而不像自由場是隨距離幾何衰減的。如果存在泄漏的話,近似正比於體積速度。

因此耳機和音箱的工作方式還是有很大差別的,這也造成二者在設計原則上和評價上都存在差別。最後再貼一張表格,是耳機和音箱的一些基本概念的闡述和對比,

註:上面幾幅截圖引自 C. A. Poldy. Tutorial AES 120, Paris, May 2006 - Headphone fundamentals