我们都知道声音是由震动产生的，耳机的工作原理和音箱是一样的：将输入的音频电信号转化为机械振动，才能在耳机里听到美妙的音乐。

在戴上耳机的时候，我们经常能感受到声音有明显区别地从前后左右传进我们的耳朵里，从而给我们带来更好的听觉体验。你知道是怎么做到的吗？

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耳机的发展史

耳机(Earphones、Headphones、 Head-sets、Earpieces)是一对转换单元，它接受来自媒体播放器或接收器所发出的电讯号，利用贴近耳朵的扬声器将其转化成可以听到的音波。

耳机是人的随身音响的象征。手机耳机分为两种标准：OMTP标准通常被叫做国家标准，CTIA被称为国际标准。耳机根据其换能方式分类，主要有：动圈方式、动铁方式、静电式和等磁式。

拜亚动力是历史最悠久的耳机公司，最早创立于1924年，拜亚动力的耳机都在型号数字前冠以DT。原来，DT是Dynamic Telephone，即"动力电话"的缩写。

刚发明出DT48的时候，"耳机"（headphone）这个词还不存在，拜亚先生把自己的发明称作"动力电话"，DT这个字母组合就一直沿用了下来。

1924年，有个德国科学家尤根·拜尔（Eugen Beyer），在柏林开设了一家电子公司，专门从事“电动换能器”（dynamic transducers）的研究与开发，并将有关技术使用在影院专用的扬声器及其他同类器材上。

当时，年轻的拜尔一直有个梦想，就是如何将音乐原汁原味地送到人们的耳朵。于是，他开发了小型扬声器，并将它们固定在弧形箍架上，于是全球首只耳机诞生了。

1937年8月18日，拜尔邀请朋友到柏林的发烧房里听歌剧《阿依达》（“Aida”）。可是朋友来到了发烧房，却只见唱机，不见扩音机及扬声器的踪影。

在唱机一旁，静静地躺着一只金属的弧形怪物，怪物的两端各有一个耳罩。当然，你我都知道那是一只耳机。但对当时的人们而言，这简直是UFO。

在这历史性的一天里，人们见证了Beyerdynamic DT48耳机的诞生，并缔造了一个世界记录，轰动全球。

更叫人惊讶的是，DT48耳机的频带宽度竟然达到了16Hz至20kHz的骄人规格。就上世纪30年代的技术条件来说，这个指标简直令人难以想象。

DT48耳机当时称为柏林（Berlin）牌，由于它惊人的频率响应及分析度，德军的情报部门和盖世太保甚至用它侦察到其他耳机根本无法辨别的声音，获取了大量有价值的情报。

1950年，Beyerdynamic推出了全球首只立体声耳机——DT48S，再次轰动世界，领先群雄。

更有趣的是，直到今天，Beyerdynamic仍然生产DT48系列耳机，只不过改用了更先进的材料而已。这可算是全球销售历史最长的耳机了。

02

耳机里的声音的是怎么产生的？

到更具体的工作原理，就是通电导体在磁场里受到力的作用。

中学的时候，我们学过法拉第电磁感应：磁通量的变化会有电流的产生。比如闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，就会产生电流，简单说就是磁生电。

反之亦然，电流也是会产生磁场的。而耳机的工作原理，就是电流的变化产生了变化的磁场，靠磁铁的运动连带着振膜产生震动，从而发出声音。

在耳机里，存在着两块磁铁。一块是下图中的强磁性磁体，是一块永磁铁，固定在耳机的框架上，是粘牢了不能动的;另一块是连接着振膜的音圈，是一块电磁铁，通电时才会产生磁性，是可动的。

声音是振膜推动空气振动产生的。当音频电流通过耳机线，流过耳机内红色的音圈时，就会产生变化的磁场，而这个磁场又会和固定于耳机内的永磁材料相互作用，音圈受力产生了不同振幅的运动，从而带动振膜产生振动，就发出了变化的声音。这就是扬声器的工作原理了!

不同耳机把电流变成声音的过程：

按不同结构和工作原理来区分，耳机主要有动圈式、动铁式、电磁式和静电式等。

1.电磁式

电磁式耳机是较为古老的一种，如图1。

它的结构是由两个线圈分别套在U形磁铁的N、S两极上，然后把铁制振动膜放在上边(为便于振动，膜与磁极之间留有间隙)并被磁极所吸引。当有音频电流通过线圈时会产生随音频信号同步变化的交变磁场，这个交变磁场使得磁极对振动膜的吸引力随之发生变化。不断起伏振动的膜片会推动周围空气产生声波。这就完成了把电流变为声音的全部过程。电磁式耳机的特点是高阻抗(一般为2000Ω)、高灵敏度。早年的电子管和矿石收音机用的就是这种耳机。

2.动圈式耳机

它的基本结构是把线圈(俗称音圈)放置于环形磁场的间隙内。当有音频电流通过时，音圈产生的交变磁场会和环形磁场产生相互作用，从而带动膜片发出声音。动圈式是技术最为成熟的耳机，它的特点是阻抗低(通常为几Ω至数十Ω)音域宽，低频特性较为优越。根据工艺和材料的不同，价格从几元至上万元的都有。它也是市场占有率最高的耳机。

另外还有一种叫“等磁式”的耳机把音圈直接“印刷”到振动膜上，而结构却有些类似后面介绍的“静电式”，只不过把固电极换成了一种特殊结构的磁铁。也有着不错的音响效果。

3.动铁式耳机

动铁式耳机的构造有些类似老式收音机里的“舌簧”式扬声器(当然它的工艺和音效不是“舌簧”式能比的)。它是把由线圈产生的交变磁场通过很薄的U形铁传递至磁极的间隙中，并与磁极发生相互作用然后通过传导杆带动“振动膜”发出声音。它的特点是可以把体积做的很小。用这种结构制成的耳机甚至可以塞入耳道內，这是其它耳机难以做到的，因此在助听器里用的最多。但它的缺点是音域相对较窄，低频特性稍差。不过由于体积小，可在一个耳机内放置多个不同音域的单元来弥补这一不足，但这又会带来一些很复杂的声学问题。

由于动铁式耳机小巧精致，对制作工艺要求较高，因此价格不菲，一般都在几百至数千元。

4.静电式耳机

这是一种不太普及的高档耳机。一般最低价位也在几千元，高档的甚至卖到几十万。它的基本结构如图四。

工作原理见图4右侧。它的结构非常精细，主要是由几微米厚带金属镀层的塑料薄片作为振动膜、悬空夹在两个极板中构成。工作时振动膜被通上几百伏的直流电形成静电场。而经过放大升压的音频信号则通往两个固定电极，并在电极之间产生不断变化的电场，这两个电场相互作用驱使膜片振动发出声音。

由于膜片又薄又轻，又是整体振动，所以对于音乐的细节反映灵敏、瞬态响应好、音域非常宽且曲线平坦，能使各种声音得到很好再现。但这种耳机的最大不便之处是需配备带高压的专用耳机放大器，不能用普通音响设备直接驱动。

03

耳机里的声音，为啥会有方向感？

大家都知道，我们可以凭借一只耳朵来感受声音的响度、音调和音色。但是，如果想辨别出声音的方向，就要依靠两只耳朵了，因为两只耳朵才可以听出时间差和声级差。

时间差是指声音抵达两只耳朵时间的前后差别，声级差则是两只耳朵听到声音能量的大小差别。例如，声源在我们的右边时，我们的右耳会先听到声音，之后声音才会到达左耳。

从正前方和正后方过来的声音，同时到达双耳，声能量一样，所以仅仅靠时间差和声级差两个信息，我们无法判断声音来自正前方还是正后方。

那么，问题又来了，双耳怎么辨别声音的前后方向？

事实上，声音从发出到被我们的耳朵听到，经历了三个过程——传播过程、生理过程和心理过程。由于生理过程和心理过程几乎不可操控，在这里我们仅仅关注传播过程。

传播过程也称为物理过程，是指声源发出的声波经由介质到达耳廓，再通过耳道传递到鼓膜并引起其振动的过程。

这是一个极其复杂的过程，人耳廓构造的不同会使声波经由耳廓影响后形成的波形不尽相同。显然，正前方声源的传播过程和正后方声源的传播过程是不一样的，因为我们的耳朵并不是前后对称的。

来自正前方的声音经过耳廓反射，可以直接进入耳道；而正后方的声音则需要绕过耳廓才能进入耳道。也正是由于这种不同，我们才可以分辨出声音来源的前后。

耳廓相当于一个给声音进行“加密”的设备，而我们的大脑经过长时间的学习，已经完全掌握了这门“解密技术”，可以轻而易举地听出声源的前后方位。

更加科学地讲，加密声音的不仅仅是耳廓，还有头部轮廓和肩膀等身体部位。由于这一系列的影响都与头部有关，因此这种加密方法也被研究人员称为：头相关函数。

头相关函数可以理解成我们头部对于声音的加密方法，这种加密是针对不同方位的。也正因为头部对于各个方向上的声音加密方式不一样，我们的大脑才可以解密出声音的方向。

为了解密不同声源方位的加密方式，研究人员可以通过测量或者计算得到不同方向的头相关函数，然后组成一个数据库。

我们戴上耳机之后，声音便直接经由耳道，被鼓膜接收了。失去了头部加密的过程，耳机内的声音听起来也就没有了方向感。

但是，随着声信号处理技术的发展，我们可以通过在耳机内部置入电子设备，来模拟头部的加密过程。

如果我们的电子设备与头相关函数的加密方法一致，那么经过电子设备加密之后的声音就可以被大脑解密出方位信息，成功地“欺骗”大脑。

正是基于这样的思路，工程师们开发了基于头相关函数数据库的空间音频方法。

他们用数字电路来模拟整个的头相关函数数据库，然后对耳机内的声音进行特定方向上的加密，这样，就能够让耳机内的声音听起来具有特定的方向感。

文章来源： 黑科技能量，科普中国， 一支输液管