Какой параметр влияет на громкость наушников

Импеданс наушников. Мифы, заблуждения, опровержения

Содержание

Содержание

При выборе наушников покупатель часто оказывается в плену мифов, родившихся из непонимания, что делать с заявленными параметрами. И особенно импедансом, ведь напарником наушников является усилитель источника, которому со всем этим и предстоит работать.

Чтобы ответить на вопрос «Когда нужен более мощный усилитель?» надо понимать, что мода на мощность пошла из стационарной акустики, основная масса которой укладывается в диапазон импеданса 4–8 Ω. Большие размеры динамиков не дают разгуляться инженерной мысли по части других параметров, тогда как у большей части наушников импеданс от 16 до 600 Ω. По логике стационарной акустики — чем больше ватт, тем громче. А из курса физики все знают, что чем больше сопротивление, тем меньше ватт пойдет в нагрузку. В результате таких упрощений даже профессионалы зачастую ошибочно полагают, что это сработает и с наушниками.

Миф №1: чем больше импеданс, тем дольше плеер держит заряд

На самом же деле разряд батареи зависит от того, на какой громкости будут использоваться наушники и сколько ватт потребуется для поддержания этой громкости.

За громкость, которую должны выдать наушники, как ни странно, отвечает звукоизоляция. Чем она выше, тем меньше громкости потребуется от самих наушников. А на вопрос «сколько для этой громкости потребуют наушники ватт от плеера» отвечает чувствительность в dB SPL/mW. Которую и указывает большинство производителей (кроме Sennheiser). То есть плеер дольше проработает с наушниками закрытого типа и большей чувствительностью. Импеданс тут совершенно ни при чем.

Миф №2: импеданс можно замерить мультиметром

К сожалению, таким способом можно замерить только сопротивление постоянному току. Импеданс только выражается в омах, как если бы вместо реальной нагрузки в цепь был включен резистор для получения того же тока. Упрощенная электрическая модель динамика выглядит таким образом:

Замерить все это мультиметром, используя его в качестве омметра, невозможно. Но это может сделать звуковая карта компьютера с помощью программы REW по следующей схеме:

И по результатам замеров получется график импеданса и электрической фазы:

Как подобный график преобразуется производителем в единственную цифру остается только догадываться.

Миф №3: чем больше импеданс, тем мощнее нужен источник

Чтобы наушниками было комфортно пользоваться, они должны выдавать некоторый уровень громкости. К примеру, 95 dB SPL, как наиболее подходящее для прослушивания музыки без риска повреждения слуха.

Так как омы, ватты и вольты, и децибелы, взаимосвязаны, вывести одно из другого не составит труда:

Но, конечно, считать это никто не будет, поэтому можно воспользоваться табличкой для 95 dB SPL:

Таблица наглядно показывает, что омы тут — не самый важный параметр. У наушников такой разброс по чувствительности, что и разброс требуемой мощности для достижения нужной громкости становится большим. Но для выбора усилителя главным параметром тут выступает чувствительность не к мощности (dB SPL/mW), как указывает большинство производителей, а к напряжению (dB SPL/V). По ней очень просто определить сколько вольт должен отдать источник на наушники чтобы получить требуемое звуковое давление.

Для того, чтобы подобрать источник к наушникам чуть лучше, чем наугад, потребуется знать выдаваемое им напряжение.

Ошибка в подборе здесь — это не только недостаточная громкость, но и испорченные наушники.

Чтобы не ошибиться, потребуется документация производителя или обзор. Скорее всего будут указаны ватты: mW, dBm; или единицы напряжения: Vrms, Vpk, Vpp, dBu, dBV (о наличии каких-то единых стандартов приходится только мечтать).

Отсутствующие на схеме dBV, dBu и dBm это уже в логарифмической шкале. В отличие от обычных звуковых dB, где за точку отсчета используют звуковое давление порога слышимости, для dBV это 1 вольт, для dBu это напряжение, необходимое для получения 1 mW мощности на нагрузку 600 Ω округленно 0,775 V (но только для звука, в других областях точка отсчета будет другой).

В большинстве случаев телефоны и плееры, за исключением флагманских и Hi-Res способны выдать не более 0,4 V RMS, встроенные звуковые карты 0,7–2,2 V RMS, внешние 7 V RMS, бюджетные профессиональные звуковые карты 3–16 dBu. А вот стационарный Hi-Fi может подать на наушники и 50 V RMS. И это не шутка.

Казалось бы, достаточно посчитать требуемое напряжение, посмотреть табличку, и можно с уверенностью сказать, каким наушникам хватит и простенькой звуковой карты, а каким потребуется действительно мощный усилитель.

Но производители наушников не так просты. У каждого своя методика замера чувствительности и импеданса, начиная от выбора частоты или полосы частот для замеров, заканчивая тем, что идет в конечный результат: максимальное или среднее значение, которое (не)кстати можно рассчитать несколькими способами. Поэтому без независимых обзорщиков тут никак не обойтись.

Теперь переходим к ответу на вопрос из начала. Для получения 94dB SPL, используя Sennheiser HD 650 с чувствительностью 103 dB SPL/V и импедансом 300 Ω, требуется всего 0,279 V RMS и 0,225 mW. Большинство портативной техники такое обеспечит, но на улице и тем более в метро этого окажется недостаточно из-за высокого уровня шума и отсутствия звукоизоляции, ведь наушники открытого типа не для улицы.

С другой стороны, для Shure 1840 с чувствительностью 96 dB SPL/mW и импедансом 65 Ω для достижения той же громкости требуется 0,506 V RMS и 3,800 mW. То есть, для получения того же уровня громкости, требуется аппаратура классом выше. И пускай вас не смущают такие скромные цифры — в рабочем применении, когда требуются большие уровни звука, не каждый источник может выдать необходимую мощность без потерь басов или ограничений амплитуды. Это и послужило источником для следующего мифа.

Миф №4: чем больше импеданс, тем меньше искажений

В данном случае откуда взялся миф уже очевидно — это связано с перегрузкой источника. Если усилитель не может отдать нужный ток на наушники с низким сопротивлением и низкой чувствительностью, или емкости фильтра, который питает усилитель окажется недостаточно, это приведет либо к появлениям призвуков, либо к потере басов. В том же положении оказываются и выскоомные наушники из-за того, что при большом усилении может наступить клипинг усилителя

Конечно, подавляющее большинство источников, которые можно отнести к ширпотребу, с большей вероятностью столкнутся именно с ограничением по току, но покупая что-то экзотическое возможно все.

И снова омы сами по себе не влияют на искажения. Решающее значение оказывает чувствительность наушников, ведь при ее недостатке приходится выворачивать ручку усиления, и только после этого импеданс наушников оказывает влияние на ситуацию. А если усилитель работает без перегрузки, то отследить взаимосвязь импеданса и искажений не получается. Взять, к примеру, Sennheiser HD 660s (150 Ω) и Sennheiser HD 650 (300 Ω) — достаточно сравнить графики, где-то больше искажения, где-то меньше, без тотального преимущества какой-либо модели:

Для большей убедительности можно сравнить графики для других для моделей:

Картина аналогична — где-то искажений больше, где-то меньше.

И уж если разговор зашел про искажения, то следует упомянуть, что динамический диапазон слухового нерва всего 60 dB. Из-за этого расслышать искажения с уровнем меньше 0,1% в принципе невозможно. Но и это ерунда по сравнению с тем, что внутреннее ухо само является источником нелинейных искажений, достигающих 14% и более, из-за которых расслышать менее 1,5% можно только в особых случаях. Например, в звуке струнных инструментов, у которых моды струн близки к гармоникам динамика, и то, при условии, что они еще и по уровню близки, чтобы образовать биения двух близких частот, а это случается нечасто. То есть между указанными наушниками разницу в искажениях не каждый профессионал найдет.

Есть и другой тип искажений — линейный. К данному типу искажений относится изменение фазы, амплитуды, задержки. Про фазу и задержку в зависимости от импеданса даже и рассказать нечего. Да — зависимость есть, и да — она настолько маленькая, что расслышать ее не удастся ни с какими наушниками из-за очень маленькой массы излучателя. А вот с амплитудой главным виновником опять является усилитель, а именно его эквивалентное внутреннее сопротивление. От наушников тут участвует разница между максимальным и минимальным импедансом. Изменение громкости и тут можно высчитать:

И вот, наконец-то, первое подтверждение преимущества высокомных наушников. Они не так сильно теряют громкость с ростом внутреннего сопротивления усилителя:

Но, когда дело касается изменения АЧХ, уже не все так однозначно.

В данном случае это изменение составит около 2,2 dB с источником 300 Ω

Тогда как у представителя низкоомных разница будет 1,5 dB

И снова, импеданс наушников, заявляемый производителем, не влияет, но уже на уровень линейных искажений. Угадать поведение можно по типу наушников. У изодинамических наушников импеданс практически не зависит от частоты. Обычные динамические имеют максимум импеданса на частоте резонанса динамика и небольшой рост с повышением частоты. А у арматурных наушников с ростом частоты импеданс растет. Совокупность же всех этих мифов породила следующий миф.

Миф №5: дорогие наушники требуют дорогой звуковой карты

Типичная ситуация: пользователь покупает дорогие наушники, вставляет их в свой компьютер, и слышит что-то невразумительное. Как ни странно, в большинстве случаев это связано c неправильным выбором выхода звуковой карты. Если открыть Datasheet на уже устаревший Realtek 1150, то можно увидеть:

Конечно, производителю ничего не мешает изменить результат как в худшую, так и в лучшую сторону. Поэтому проверяем импеданс звуковой карты самостоятельно, с помощью резистора и мультиметра. Для этого достаточно померить напряжение под нагрузкой и без, и посчитать по результатам замеров внутреннее сопротивление выхода:

Но, что более интересно — результирующая АЧХ наушников куда больше зависит от того, как они сидят на голове, а также от состояния амбушюр.

Серый график — это результат 5 замеров зависимости от положения на голове — разница достигает 5 dB и более. На этом фоне изменение на несколько децибел от внутреннего сопротивления звуковой карты — не повод для паники.

Наглядная демонстрация причины появления гневных комментариев к наушникам, которые долго держатся на рынке. Пользователь покупает новые наушники взамен сломавшихся старых, и слышит разницу. Но причина не в плохой модели, а в просевших амбушюрах.

Куда более важным является потеря баса из-за неспособности усилителя выдать нужный ток.Чтобы это проверить можно воспользоваться программой RMAA и второй половинкой импровизированного стенда:

Вживую выглядит еще более запутанно:

По результатам теста видно, что Realtek 1220 в исполнении Gigabyte не теряет бас.

А уровень искажений находится за гранью возможностей человеческого уха, даже если не учитывать тот факт, что запись велась на линейный вход, вносящий дополнительные искажения

Но не у всех встроенных звуковых карт все так радужно, особенно на выходах без усиления, которые предназначены не для наушников, а для усилителя динамиков.

Миф №6: плохая звукоизоляция открытых наушников делает их звучание ближе к колонкам

Очень стойкий миф, на который покупаются даже профи с многолетним стажем.

Основой тут послужил, конечно, личный опыт, против которого, как известно, не попрешь. Но конкретно плохая звукоизоляция тут ни при чем.

Динамик находится буквально на расстоянии 1 см от ушной раковины, тогда как расстояние до второго уха порядка 25 см, что дает в итоге 30 dB снижения громкости в области баса только за счет расстояния. Так же сюда следует добавить эффект, возникающий в замкнутых пространствах, из-за которого происходит подъем уровня громкости 12 дБ на октаву, при снижении частоты звука. Для наушников охватывающего типа этот подъем начинается с 1 кГц, для внутриканальных — с 3 кГц.

В сумме все эти эффекты делают невозможным восприятие звука противоположным ухом.

Влияние на стереоэффект тут оказывает не подмешивание каналов, а резонансы и переотражения внутри чашки наушников. И производители прекрасно об этом знают.

Ну а в самых дорогих наушниках «открытость» достигает такой степени, что драйвер видно снаружи, а борьба с резонансами доходит до применения стекла с большим модулем упругости.

Источник

Что означает сопротивление наушников и как оно влияет на звук

Данная статья будет посвящена разбору полетов широкого ассортимента наушников и одному из главных показателей – их импедансу. 16, 32 или 320 Ом – какое сопротивление выбрать и на что оно влияет?

Встретить на улице человека с наушниками можно повсеместно. Кто-то привык к компактным вкладышам или наушникам вставного типа. Для кого-то эталоном хорошего звука стали стильные накладные наушники. Есть и те, для кого качество – определяющий фактор: на голове таких меломанов вы можете наблюдать мониторы. Несмотря на такое разнообразие моделей, едва ли найдутся слушатели, знакомые с такими характеристиками, как: импеданс, сопротивление, выходная мощность. А если слова и кажутся знакомыми, то связать все эти термины воедино выйдет далеко не у многих.

Тайна цифр

Представим, что вы решились на приобретение новой модели наушников. Вопрос бюджета отставим в сторону, поскольку толщина кошелька у каждого покупателя своя. Сразу же обратим внимание на характеристики.

Внимательный покупатель наверняка обращал внимание на ряд непонятных физических характеристик, нанесенных на красивую коробку. Ниже приведена фотография с вырезками трех различных моделей наушников известных брендов:

На что обратить внимание при покупке? Итак, перед нами три модели с различными характеристиками:

Характеристики модели А:

Frequency Response – Диапазон воспроизводимых частот: 10 Hz – 20 kHz;
Impedance – Сопротивление: 22 OHM;
SPL – Уровень громкости: 111 dB (+/- 3 dB);

Характеристики модели B:

Frequency Response – Диапазон воспроизводимых частот: 5 Hz – 40 kHz;
Impedance – Сопротивление: 32 OHM;
SPL – Уровень громкости: 102 dB (+/- 3 dB);

Характеристики модели C:

Frequency Response – Диапазон воспроизводимых частот: 5 Hz – 35 kHz;
Impedance – Сопротивление: 250 OHM;
SPL – Уровень громкости: 96 dB (+/- 3 dB);

Частотный диапазон. Все три модели имеют абсолютно различные числовые характеристики. Наша же задача: определить, какие наушники будут чувствовать себя комфортнее с портативным плеером или смартфоном. Самый широкий диапазон воспроизводимых частот у модели B: от 5 Гц до 40 кГц (при том, что человеческое ухо воспринимает диапазон всего от 16 до 20 000 Гц). Таким образом, частотный диапазон всех трех моделей устроит любого, даже самого взыскательного слушателя. При выборе наушников средней ценовой категории этот параметр не является определяющим, а носит скорее маркетинговый характер.

Сопротивление. Вот тут то мы и дошли до самого интересного: все три модели кардинально отличаются друг от друга. Давайте разберемся, на что же влияет показатель импеданса и какое оптимальное значение сопротивления для использования в паре со смартфоном?

Все наушники разделяются на две категории: низкоомные и высокоомные, причем градация этого деления напрямую зависит от их типа. Так, полноразмерные наушники, с импедансом до 100 Ом считаются низкоомными; выше 100 Ом – высокоомными. Наушники внутриканального типа («затычки» или вкладыши) с показателем сопротивления до 32 Ом – низкоомные; выше 32 ОМ – высокоомные.

В акустическом мире полноразмерных колонок и динамиков все просто: есть колонка на 30 Ватт с сопротивлением в 8 Ом. Подключаем к левому и правому каналу соответствующий 8-омный усилитель и наслаждаемся громким звуком. Ситуация с наушниками намного сложнее и запутаннее. Только в приведенном выше примере мы столкнулись с тремя сопротивлениями:

На вопрос: какие наушники лучше всего подойдут к смартфону, рядовой покупатель уверенно ответит, что лучшая модель – модель с минимальным сопротивлением. «Низкоомные наушники, в связке со смартфоном, будут звучать громче, а для высокоомных нужен отдельный мощный усилитель», – вот общепринятое утверждение продавца-консультанта среднестатистического магазина электроники. «Садитесь, пока что двоечка», – сказал бы мой школьный преподаватель по физике и вот почему.

В тот момент, когда вы увеличиваете громкость воспроизведения музыки, на выходном сигнале меняется не уровень мощности, а напряжение. И лишь напряжение напрямую влияет на мощность. Для этого из школьного курса физики достаточно вспомнить две простых формулы закона Ома:

Таким образом, для определения того, какие же наушники будут играть ГРОМЧЕ, а громкости каких в условиях использования исключительно смартфона будет недостаточно, следует обращать внимание не только на показатель сопротивления самих наушников, но и на максимальный уровень напряжения, которое выдает порт миниджек вашего смартфона или плеера. С этим показателем практически все производители электроники не спешат нас знакомить. Узнать четкий вольтаж на выходе миниджека можно, как правило, только по схемам устройства, найти которые нелегко.

Сопоставлять две разных модели по громкости следует не по уровню мощности, а по уровню потребляемого напряжения. Чувствительность наушников с меньшим сопротивлением больше, чем у высокоомной модели. Но как это отражается на времени автономной работы смартфона?

Наушники и iPhone

Модель А, с сопротивлением в 22 Ома будет действительно звучать громче, но вместе с этим и потреблять больше тока. Как следствие, 32-омная модель В позволит воспроизводить смартфону музыку дольше, как минимум на четверть. Представленные же на рынке смартфоны, имеют максимальное выходное напряжение не более 150 – 200 мВ, чего недостаточно для раскачки наушников с сопротивлением более 100 Ом.

Если же полученная на высокоомных наушниках громкость вполне устраивает, вас ждет приятный бонус – значительное снижение энергопотребления аккумулятора.

Теперь откроем лица моделей, рассмотренных в данной статье. Вот имена всех трех моделей:

Самым «правильным» вариантом наушников для использования в связке с iPhone – низкоомная модель Bowers&Wilkins P7. Это действительно самая громкая из рассмотренных моделей со стандартным диапазоном звуковых частот.

Следующая модель Audio-Technica ATH-CKR10 имеет хороший диапазон воспроизведения и немалое сопротивление в 32 Ом. Учитывая то, что наушники представляют категорию вкладышей, они обеспечивают хороший уровень звукоизоляции, и выходного напряжения смартфона будет достаточно для достижения оптимальной громкости.

Наконец, модель наушников-мониторов Beyerdynamic DR 990 Pro – немецкий эталон в сфере профессионального мастеринга. Качеству звучания этих наушников позавидует любой дорогостоящий конкурент, но высокий уровень сопротивления в 250 Ом делает их использование с iPhone невозможным. Для DR 990 Pro и наушников этой категории требуется отдельный усилитель или аудио-плеер с мощной звуковой картой.

Идущие в комплекте с iPhone наушники EarPod, могут похвастать такими характеристиками:

Сопротивление: 23 OHMS
Чувствительность: 109 DB
Частотный диапазон: от 5 Hz до 21 kHz.

Сам производитель дает четкий ответ: использовать высокоомные наушники с iPhone без дополнительных аксессуаров нецелесообразно.

Варианты получения хорошего портативного звука

Если же идея получения качественного звука со смартфона вас по-прежнему не покидает, готовьтесь потратить свои кровные на приобретение внешнего портативного усилителя.

Высокоомные наушники действительно звучат лучше своих низкоомных собратьев и вот по какой причине. За счет высокого уровня сопротивления наушников, усилитель отдает меньше тока (при более высоком напряжении), а это предотвращает волновые искажения на его каскаде. Более того, наушники с большим сопротивлением имеют более равномерные амплитудно-частотные характеристики (следствие увеличенного количества витков на магнитной подушке динамика), а при условии низкого сопротивления и со стороны усилителя, АЧХ могут оставаться практически неизменными.

Еще одной альтернативой получения качественного звука является использование так называемых однодрайверных арматурных наушников.

Внешне они ничем не отличаются от традиционных вкладышей, но имеют поднятый диапазон средних и высоких частот, что обеспечивает «чистое и прозрачное» звучание.

Наконец, раз и навсегда решить проблему терзаний перед выбором наушников может покупка плеера с высоким уровнем выходного напряжения.

В отличие от смартфонов и недорогих плееров, в Hidisz установлен мощный предусилитель. Преимущество на лицо: 2,2 В против 100-150 мВ у смартфона. Использование подобных плееров открывает перед меломаном широкий ассортимент высокоомных наушников с настоящим качественным звучанием.

Перед покупкой любых наушников, а особенно высокоомных моделей, обязательно определите максимально возможный уровень громкости, проигрывая музыку на том устройстве, с которым планируете дальнейшую эксплуатацию. Акцентируя внимания на числовых характеристиках наушников, не забывайте, что слух и любая аудиоаппаратура – вещи строго индивидуальные. Наушники с, казалось бы, средними значениями сопротивления и частотного диапазона, зачастую могут дать фору самым технологически совершенным экземплярам.

Источник