Выбор наушников, казалось бы, самого простого и распространённого элемента в аудиосистеме, для ряда задач может оказаться не таким очевидным, как это представляется. Наиболее распространёнными проблемами при неправильном подборе наушников являются: искаженный звук, низкий уровень громкости на максимуме или высокий уровень громкости на минимуме. В этой статье мы постараемся описать базовые технические характеристики наушников, какие из них и насколько важны, и как в итоге выбрать наушники для своей аудиосистемы.
Прежде всего, все наушники необходимо разделить на две категории: головные и внутриканальные.
Головные наушники
Обычно состоят из одного или двух преобразователей (обычно миниатюрных динамиков), которые прикреплены к металлическому или пластиковому оголовью. Это оголовье обеспечивает правильное размещение преобразователей на ухе; оголовье обычно лежит сверху или за головой. Существует два распространенных типа головных наушников: открытые и закрытые.
У открытого типа есть акустические порты на внешней стороне, которые улучшают ощущение низких частот, но с другой стороны, позволяют фоновому шуму проникать в ухо. Закрытые наушники полностью закрывает ухо, тем самым уменьшая фоновый шум. Вторым их преимуществом является то, что звук из наушников не будет излучаться наружу. Использование закрытых наушников предпочтительно для таких приложений, как например студийная запись, где внешний шум должен быть сведен к минимуму.
Внутриканальные наушники
Размещаются непосредственно на ушной раковине (вкладыши) или внутри ушного канала. Для надёжного удержания в ухе, внутриканальные наушники обычно используют пену или другой мягкий материал, что также позволяет изолировать ухо от окружающего шума. Формирование такого акустического уплотнения делает ушной канал частью системы наушников и изменяет общую частотную характеристику данной «системы». Преимуществом данного подхода является то, что наушнику требуется меньшая громкость, по сравнению с другими типами, а качество звука, как правило, лучше.
В большинстве наушников основными характеристиками являются сопротивление и чувствительность. Некоторые производители идут дальше и показывают значения уровня клиппинга и частотные характеристики. Эти показатели и определяют, как каждые конкретные наушники будут работать с конкретной аудиосистемой. Со стороны аудиосистемы необходимо обращать внимание на выходное сопротивление, выходную мощность и также уровень клиппинга.
Сопротивление.
Сопротивление или импеданс - характеристика обратно пропорциональная силе тока. Чем выше импеданс, тем меньшим будет ток. Импеданс измеряется в Ом, обозначенных греческим знаком Омега (Ω). Стандартное значение сопротивления для наушников лежит в диапазоне от 8 до 600 Ом. Для достижения максимальной передачи мощности (вся полезная мощность от источника достигает наушников) сопротивление наушников и аудиосистемы должны совпадать. Когда сопротивления не совпадают, происходит потеря напряжения или тока, другими словами, потеря мощности. Эта потеря мощности может быть рассчитана по следующей формуле:
где,
- RS: сопротивление источника (сопротивление на выходе аудиосистемы)
- RL: сопротивление нагрузки (сопротивление наушников)
Например:
Предположим, мы хотим использовать наушники с сопротивлением 110 Ом. При подключении к источнику, который соответствует этому сопротивлению, приведенная выше формула показывает потерю -6,0 дБ. То есть даже при максимальном совпадении, происходит потеря передачи мощности. Это называется потери нагрузки, и их невозможно избежать. При более высоком сопротивлении источника, скажем, 600 Ом, потеря мощности составит -8,8 дБ. Это почти на 3 дБ ниже, чем в предыдущем случае; при этом -3 дБ, в свою очередь, составляет половину всей передаваемой мощности. При более низком сопротивлении источника, скажем, 16 Ом, потеря мощности составляет 9,5 дБ. На рисунке показаны графики потери мощности для разных наушников, работающих при разных сопротивлениях источника.
В большинстве случаев потеря нагрузки не является критичной. Усилитель для наушников, как правило, может выдавать гораздо больше мощности, чем необходимо, таким образом преодолевая эффект несогласованности сопротивлений.
Чувствительность
Чувствительность - это то, насколько эффективно наушники преобразуют электрический сигнал в акустический. Чувствительность показывает, насколько громкими будут наушники для конкретного значения значения сигнала от источника. Этот показатель обычно дается в децибелах уровня звукового давления (SPL) на мВт или дБ SPL / мВт (иногда просто как дБ / мВт).
Чувствительность наушников обычно находится в диапазоне от 80 до 125 дБ/мВт.
Например: чувствительность наушников составляет 122 дБ/мВт, это означает, что мощность 1 мВт будет генерировать уровень звукового давления 122 дБ. Этот уровень SPL превышает порог боли и может привести к необратимому повреждению слуха за короткое время. На рисунке показаны различные уровни звука и время воздействия до того, как может произойти повреждение слуха.
Обратите внимание, что дБ не суммируются линейно, то есть 2 мВт поданные в наушники не будут генерировать SPL 244 дБ. Удвоение или уменьшение входной мощности увеличивает или уменьшает SPL на 3 дБ. 0,5 мВт поданные в наушники будут генерировать уровень звукового давления 119 дБ. Значение чувствительности не имеет большого значения, если оно не будет согласовано с выходными возможностями аудиосистемы. Если система имеет низкий уровень выходного сигнала, использование наушников с низкой чувствительностью приведет к низкому уровню звукового давления. Увеличение уровня усилителя в этой конфигурации приведет к искажению звука из-за ограничения усилителя (будет создаваться эффект клиппинга). С другой стороны, наушники с высокой чувствительностью в сочетании с усилителем высокой мощности приведут к низкой громкости, что может привести к большему шуму при попытках подъёма уровня громкости.
Классический случай этой проблемы - подключение пары высокочувствительных наушников к звуковой системе самолета или поезда. Установка громкости на первой позиции, чуть выше нуля, дает достаточный уровень, но высокий шум. Увеличение громкости делает их слишком громкими для использования. Простой пассивный аттенюатор для наушников решает эту проблему, уменьшая уровень, подаваемый на наушники, позволяя повысить громкость усилителя до уровня, который производит меньше шума. В следующей таблице показан выходной SPL для разных наушников на разных уровнях источника.
Частотные характеристики (АЧХ)
Когда частотная характеристика представлена в виде графика, она указывает на два разных измерения. Во-первых, она показывает диапазон частот, от самой низкой до самой высокой, воспроизводимой наушником. Во-вторых, она показывает относительный выходной уровень сигнала наушников на каждой частоте. Частотная характеристика измеряется в герцах (Гц) и охватывает звуковой диапазон от 20 до 20000 Гц.
Измерение АЧХ в наушниках - непростая задача. Требуется использование так называемой "Dummy head". Голова манекена, напоминает голову человека и имеет измерительный микрофон внутри каждого слухового прохода. Правильно измерить частотную характеристику головных наушников просто, так как наушники расположены над "ушами". Измерение внутриканальных наушников - это другое дело. Когда достигается правильное размещение наушников, ушной канал становится частью наушников и влияет на частотную характеристику. Поскольку у каждого человека свой слуховой проход (глубина, диаметр, кривизна и т. д.), частотная характеристика будет различной. Фактически, вероятно, что частотная характеристика будет варьироваться даже между обоими ушами одного и того же человека. Поэтому график частотных характеристик для наушников, созданных с использованием подставки, не является абсолютно точным измерением.
Клиппинг или максимальный уровень сигнала
В характеристиках наушников редко показывают уровень клиппинга или максимальный уровень входного сигнала. Тем не менее, в характеристиках аудиоустройства это может быть указано.
В характеристиках выхода на наушники будет указан уровень, на котором усилитель начинает обрезать аудиосигнал, и появляется клиппинг. В зависимости от значения сопротивления и чувствительности подключенных наушников, это может быть важно. Если чувствительность низкая или полное сопротивление наушников значительно отличается от полного сопротивления источника, может потребоваться значительно больший уровень выходного сигнала аудиосистемы, чтобы компенсировать потерю нагрузки и получить приемлемый уровень звукового давления. Если выходной уровень сигнала выше максимального выходного уровня усилителя наушников, аудиосигнал будет искажен и может привести к повреждению наушников. Использование внешнего усилителя наушников с автономным питанием может решить эту проблему.
Указанные в данной статье характеристики, хоть и не полностью охватывают все возможные параметры наушников, но, надеемся, дают общее понимание важности тщательного выбора оборудования, для достижения максимального качества при прослушивании аудио.