别以为耳机腔体设计只为好看，背后有你想不到的声学奥秘！
耳机的腔体是如何改变声音表现的？
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《趣听私塾》是我们为喜欢耳机和想了解耳机的趣友们开设的一个固定栏目，目前计划不定期更新。这个栏目的初衷在于帮助那些在耳机选购和希望了解耳机的小白用户们更快更简单的获取你们想知道的东西。
在耳机购买上有那些坑可以避免？哪些耳机是没有假货的？耳塞套对于音质是否有影响？等等一系列的问题伴随着很多入门级发烧友而来，让人摸不着头脑。我们的目的就是在于消除这些疑惑，能帮助到你购买到自己喜欢的耳机，又或者能了解到更多！
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不论是入耳式耳机，还是头戴式耳机，都需要有一个外壳来承载它们的单元用来发声，而这个外壳，我们习惯性地将它们称之为“腔体”。然而你是否知道，在我们看来好像只是决定着耳机外观是否好看的腔体，其实还有着比它外观更重要的作用，那就是耳机最本质的东西——声音。
因此在我们看来好像只是用来区分耳机好看与否或者佩戴舒适的腔体外壳，到底有着怎样的神奇之处，耳机其貌不扬的外壳，又是通过怎样的方式来影响耳机的音质？声学工程师们又是使用了怎样的设计来通过改变耳机腔体的外形和内在，将耳机声音调整到更加理想的状态？这就是我们这一次要带你了解的东西。
这是两种截然不同的耳机腔体形式
耳机外壳的材质真的能让声音变好吗？
其实对于耳机本身而言，腔体最常见的仍然是由金属和塑料组成，也有少见的使用木质、骨质等其他材质制作而成的耳机。而事实上，不论是金属材质外壳的耳机，还是塑料材质外壳的耳机，外壳本身的材质对耳机的声音影响微乎其微的。的确，这听起来好像有些不可思议。
因为我们知道，比起体积小巧的耳机来说，不论是4寸左右的桌面级音箱，还是八寸甚至更大的HiFi级音箱、监听音箱，它们最常见的外壳材质是木质，并且是采用了复合木，而不是实木。采用纯金属、纯塑料外壳的音箱似乎只有大部分的多媒体音箱才如此采用，但是为什么在音箱上，外壳材质的不同对声音的影响就会如此大？
音箱所使用的腔体材质多为木质
这是由于音箱本身的单元振膜所能带给箱体的共振要比耳机带给耳机腔体本身的共振大的很多，因为音箱普遍的工作额定功率在15W-300W左右，而耳机的额定功率最大都不会超过2W-3W左右，因此所带来的共振能量也就大不相同，如果音箱选择了与单元功率、频率等都不太匹配或者密度太低或太高的腔体，就会造成非常大的失真，比如让单元的分割振动变得更加明显。
但是耳机不同，由于耳机的功率本身较小，单元所能带给腔体本身的共振和能量就要比音箱小的很多，因此耳机本身对腔体材质的敏感度就要比音箱小的很多。但是事实上仍然有很多厂商在宣称腔体能给耳机带来多么明显多么大的区别，并且这样的误导性宣传并不只限于一些杂七杂八的品牌。事实上，耳机外壳的材质不同是很多厂商用来区分产品档次并且提升溢价的惯用方式。
这是一个振膜不同频率下分割振动的示意图
耳机腔体的基本构成：你了解你的耳机吗？
常见的入耳式耳机的腔体一般来说由前腔和后腔两个部分组成，但也有很多耳机开始使用了相对复杂一些的腔体设计，有的是出于美观性考虑，有的则是声学优化方面的特殊设计，但最核心的部分，仍然是前后两个部分的腔体。前腔就是你看到的包括导管、前腔本体的部件，它的主要作用就是承载安装耳机单元和耳塞套。
而后腔则是用来给耳机提供一定的共振空间和放置耳机的末端导线。但是现在大部分的绕耳式设计的耳机，共振空间也很有可能是和前腔形成一体的设计，从而所谓的“后腔”则成为了一个简单的盖板。比如常见的类公模外壳的耳机，就是采用了前后腔一体的设计。
典型的前后腔一体设计的耳机结构图
然而对于头戴式耳机来说，不论是开放式还是封闭式，“前腔”被简化成了一个盖板，而后腔反而要比前腔更为重要，当然这并不是我们讨论的重点。当你简单地了解了腔体的基本结构以后，就可以知道为什么能通过腔体来改变和优化耳机的声音表现了。
另外腔体对耳机声音表现的影响主要还是针对于除动铁耳机以外的耳机类型，比如我们最常见的动圈耳机就是如此。这主要是因为动铁单元其实本身的外壳就是一个相对封闭的“腔体”了，而且大部分的动铁耳机都需要通过额外的导管来将声音导出，所以大部分的动铁耳机，都会采用彻底封闭的耳机腔体。
完全实心的EK3耳机腔体（可见内部导管）
腔体是如何改变和优化耳机声音表现的？
由于动圈单元本身其实是一个开放的膜片振动发声，因此腔体对于动圈单元的声音表现有着非常大的重要性，一款音质表现良好，设计结构优秀的耳机，都离不开腔体本身对于它的贡献，所以耳机的音质好坏，并不等于单元喇叭的声音好坏，这两个的设计都是相辅相成的。
因此对于耳机的ID设计师来说，不仅仅要保证耳机的外观的美观性，还要能为耳机提供一个可靠地声学腔体，是一件并不容易的事情，这也是耳机研发过程中非常重要的一环。通常来说，耳机的腔体设计会根据单元膜片的三频分布，以及对某个频段的特殊优化，通过建立耳机力声系统模型、数据计算进行得出，并且其中还要通过一系列的仿真测试，对比数据和曲线进行完善，是一个非常复杂而且繁琐的事情。
耳机力声系统的原理图
不同的腔体造型、结构设计，都会对耳机的频率响应带来一定影响，这是由于单元膜片在振动时发出的声音并不是呈一个点直接向前方直射的，而是呈一个近似扇形，从四个方向散射发出的，因此在常规的入耳式耳机设计当中，前后腔体都会为单元本身提供一个共振空间，所以根据这个原理，通过修改耳机的腔体设计来。
一般情况下，耳机的前腔体积和内容积都要比后腔略小一些，所以在播放低频比较多的音乐时，前腔部分的声音阻抗要比后腔大一些，所以我们可以再适当地将耳机的后腔做的比前腔更大一些，从而提供更多低频共振的空间，提高低频部分的下潜表现。因此在某些主打重低音风格的耳机上，我们可以看到腔体部分对耳机本身进行的一些优化设计。
一款重低音耳机后腔体的独特设计
那除了重低音以外，如果说想让耳机的高频延展性变得更好，要怎么改善腔体的设计？根据耳机前腔的容积和长度，可以通过一个公式来计算出耳机腔体的高频共振点，所以当耳机的前腔越小，高频的密度就会变得更好，而导管越短、面积越大，则高频部分的延展性表现就会很好，所以如果你细心的话，拿起手中的耳机不妨去观察一下，很多主打高频表现的入耳式耳机都在按照这样的思路去做。
而很多人都在关心的耳机声场表现，则可以将耳机的腔体做成半开放、开放式，增加耳机单元的通气量和“后腔”部分的容积，从而能带来一定程度上的相对宽阔、不压抑的声场表现。根据我们上面所说，后腔体越大，低频下潜就会更好，所以开放式的耳机腔体结构，本身就无形地增大了耳机“后腔”的容积，所以普遍都要比封闭式的耳机低频下潜更好，这在头戴式耳机中更为常见。
SHP9500就采用了全开放式的腔体设计
真的有理想的耳机腔体吗？
我们发现，音箱本身的外观相比起耳机来说变化并不算大，如果要把我们常见的音箱都摆在一起，你会发现它们好像都是一个个四四方方的大方块，很少有见耳机这样千奇百怪各式各样的造型，这就是因为音箱本身的外观设计主要还是为声学方面进行考虑，而耳机不同的是，有时候对于外观设计的侧重性要比声学优化的侧重性更大。
这就导致在设计耳机腔体的时候，要么就用性能相对稳定的公模外壳，声学设计可以更加轻松、可靠一些，但这就会导致耳机的外观设计上会出现比较单一、没有特点的感觉。而如果从外观设计方面先进行入手的话，就必然要对声学腔体优化进行一定的妥协 。所以很多价格昂贵、定位高端的入耳式耳机，往往在腔体声学优化方面的设计都需要用去很大的成本和时间，而价格较低的耳机则只能使用现成的声学方案以缩减成本。
XB55AP特殊的“低频增强导管”
所以我们可以看到，很多国产耳机会比较喜欢用一些稳定、大致相同的腔体设计思路去开发产品，因此你会看到大量的采用前后一体、绕耳式外壳设计的耳机，均由国产品牌推出，当然也不妨有一些国产品牌去下功夫对腔体本身进行单独开发，但的确是少数。
而有一些本身就具备研发能力和设计功底深厚的声学厂商，在开发一条耳机的时候，会同时对单元本身、腔体以及外观进行同时的匹配、优化设计，这其中首当其冲的典范就是要数苹果经典的半入耳式耳机EarPods了。很多人都知道堵住EarPods尾部的小孔听低频是否减弱来判断耳机真假的技巧，这就是因为EarPods尾部的气孔以及尾管本身就是耳机的低频共振腔体，只是苹果用了一种新的思路去进行了设计。
EarPods尾部的低频调音气孔
所以对于耳机来说，相比起音箱需要妥协与权衡的地方更多，因此就会出现一个比较两极分化的情况，要么为了声音=丑，要么为了外观=声音妥协，所以耳机才无法像音箱那样大体上较为统一的设计一个比较理想的腔体。耳机毕竟是随身所戴的产品，谁都不想自己的脑袋上戴着一个超级丑陋又臃肿的东西。
耳机的腔体不仅仅是外观上的设计美学，更是凝固了多少声学工程师共同所总结和研发的设计经验和理论实践。看起来简单、其貌不扬的耳机，其中的科学道理和神奇的物理现象却令人无比着迷，希望这篇科普能让你更加了解这些背后的秘密。如果你对本文有任何看法和意见，欢迎在下方评论区互动交流。
参考文献：
[1]. 吴金军.金属纳米结构的表面等离子体共振特性研究[D].中南大学.2012
[2].Pspice电路仿真中变压器模型的使用[J]. 张东辉,严萍,高迎慧,孙鹞鸿. 电气应用. 2007(01)
[3].耳机腔体与频响曲线关系的研究[D]. 张婷.华南理工大学.2016
[4].耳罩式耳机异常共振分析[J]. 郑保宾,张亚东. 电声技术. 2017(Z1)