Popular science
Periphery
Physics
Sound
Soundpal corporate blog
December 24 2014

На что влияет сопротивление наушников

image

После интервью наибольшее количество вопросов было связано характеристикой сопротивления наушников. Рассмотрим, на что влияет характеристика и с чем ее едят. Для лучшего усвоения материала мы будем последовательно выпускать материалы, собирать вопросы и комментарии и двигаться дальше.

Прежде чем разобрать, на что и как влияет сопротивление наушников, разберемся, что это за заморская птица такая. И готовимся к тому, что здесь будут аж две формулы из стандартного школьного курса физики. Т.е. материал сложный и тяжелый.

Сопротивление наушников часто называют как импеданс или полным сопротивлением наушников.

С точки зрения терминов, где под сопротивлением подразумевается только активная (резистивная) часть, под импедансом (полным сопротивлением) подразумевается совокупность активного и реактивного сопротивления. Вспоминая школьный курс физики, мы знаем, что к реактивному сопротивлению относится емкость и индуктивность.

Конечное сопротивление наушников зависит от того, на какой частоте измерено сопротивление. На коробках часто приводят только активное сопротивление или изредка значение, полученное на частоте 1 кГц. К сожалению, редко указывают сопроводительные параметры и можно только гадать, какое значение импеданса у наушников на самом деле.

image

Если речь идет о динамических наушниках, то значения в виде 16, 24, 32 Ом и т.п. означают сопротивление лишь катушки индуктивности динамика и не учитывают сопротивление провода, пайки контактов и штекера. В реальности сопротивление наушников обычно на 1-3 Ом выше и немного различается между правым и левым каналом. Наиболее добросовестные производители честно указывают, что точность указанного сопротивления составляет 20 или 30% и это нормально (бурно возражает на это только маркетолог, никакие погрешности на коробке приводить нельзя – «правда» убивает продажи).

Низкоомные и высокоомные наушники


Наушники принято делить на низкоомные и высокоомные. Для внутриканальных и полноразмерных наушников граница разделения разная.

Для полноразмерных: никзкоомные наушники обладают сопротивление менее 100 Ом, а высокоомные выше 100 Ом.

Для внутриканальных: низкоомные не выше 32 Ом, выше 32 Ом – высокоомные.

Какой вид импеданса у разных наушников?


Внутриканальные наушники


image
image

Большинство внутриканальных динамических наушников обладают ровной кривой импеданса и значение в 16, 24 или 32 Ом не имеют отклонений для частот от 20 до 20 кГц.

На графике по горизонтали указаны частоты, от 20 Гц до 20 кГц. По вертикали – сопротивление (в логарифмическом масштабе).

Полноразмерные динамические наушники


image
image

У полноразмерных динамических наушников довольно часто можно встретить неравномерную кривую импеданса, с локальным подъемов в области низких частот и небольшим подъемом в области высоких частот.

Сопротивление может быть равно 32 Ом без учета реактивной части (условно, это 0 Гц, измеряется любым универсальным мультиметром), но на практике может быть вдвое выше на определенных частотах.

Неравномерность (подъемы) могут указывать как на резонансы, так и на конструктивные особенности излучателя в данном корпусе наушников. Так, при измерении сопротивления, частота и величина подъема может сильно меняться от того, лежат наушники свободно на столе, или одеты на манекен (в этом случае внутреннее пространство наушников задемпфировано).

image
image

У некоторых динамических наушников нет заметных резонансов или отклонений. Такая линия условна идеальна, но подбирать наушники таким путем не рекомендуется. В погоне за улучшением одной характеристики, приходится жертвовать другой.
Среди наушников топ-класса можно встретить кривые импеданса как с минимальными отклонениями, так и со значительными. Если у наушников виден узкополосной подъем (на графике выше это Grado GS1000), то усилитель стоит подбирать с низким выходным сопротивлением для лучшего контроля низких частот (как к слову сделано у фирменного усилителя Grado RA1).

Изодинамические (ортодинамические) наушники


image
image

Помимо динамических излучателей широкое распространение сейчас получает изодинамический тип излучателя (и его схожий тип — ортодинамический). У таких наушников всегда прямая линия импеданса. Изодинамические наушники сейчас выпускают: Abyss, Audez'e, HiFiMan, Oppo, Fostex. В советское время были наушники ТДС-5/м, ТДС-7, ТДС-15, ТДС-16 и ТДС-25. Сегодня для моделей ТДС-7 и ТДС-15 чаще всего делают моддинг.

Формально, это идеальная нагрузка для усилителя, однако в области ультравысоких частот (мегагерцы и гигагерцы) у некоторых моделей сопротивление снижается и стремится к нулю. Такое коварство на стандартном графике не увидеть и с некоторыми усилителями это может привести к некачественному режиму работы.

Внутриканальные арматурные наушники


image
image

Едва предсказуемо выглядит импеданс у внутриканальных наушников с арматурным излучателем. Для однодрайверных моделей есть общая черта — всегда существует локальный подъем в области верхних средних частот (в районе 1-3 кГц) и в области самых высоких частот. Благодаря подъему в области высоких частот, большинство однодрайверных арматурных моделей «звучат чисто» в области высоких частот, т.к. в этой области частот усилитель дает меньше искажений.

В низкочастотной области обычно типовое сопротивление в виде 8, 16, 24 или 32 Ом. Выше 500 Гц начинаются подъемы.
В случае, если указано сопротивление в 100 Ом на 1 кГц – то это не означает, что наушники высокоомные, их сопротивление может быть и всего 16 Ом по показаниям мультиметра (в области низких частот).

Гибридные и многодрайверные наушники


image
image

Нельзя предугадать кривую импеданса для многодрайверных и гибридных внутриканальных наушников. Кривая импеданса может быть какой угодно выше 500 Гц. Просадка сопротивления может спокойно доходить до 4 Ом при заявленных 100 Ом на 1 кГц.

Общие выводы


  • Сопротивление в реальности будет как на коробке, если наушники: Внутриканальные динамические или изодинамические
  • Сопротивление в реальности будет как на коробке и обладать неизвестными подъемами, если наушники: Динамические накладные и полноразмерные
  • Сопротивление в реальности НЕ будет как на коробке, если наушники: арматурные или гибридные

Зачем собственно это все знать? Иногда производители усилителей и плееров указывают, какое сопротивление наушников будет совместимо и на эту информацию полезно ориентироваться.

Если надо узнать реальное сопротивление у арматурных или гибридных наушников, то можно попробовать поискать результаты измерений в интернет. Методы измерения импеданса обычно дают единый результат и не зависят от ПО со стендом или измерительного комплекса.

На что влияет импеданс наушников?


Чувствительность наушников


Чувствительность наушников обычно приводится к мощности, что учитывает сразу две характеристики: подаваемое на наушники напряжение и ток. Это удобная конечная характеристика для теоретиков и крайне запутанная для практического применения конечными потребителями.
Для обычного потребителя логично представлять, что «чувствительность = громкость». С колонками это работает, т.к. всегда значение указывается сопротивлением колонки в виде 4 или 8 Ом, и аналогично указывается мощность усилителя. Запутаться сложно.

Но если для колонок всего два типовых сопротивлений в 4 и 8 Ом и у каждого усилителя приводится мощность под два типа сопротивления, то у наушников порядка 11 сопротивлений: 8,16,24,32,64,128,256,320, 608 и т.п.

В итоге потребитель берет в руки наушники с разным сопротивлением и наивно полагает, что по чувствительности он может что-то сравнить.

Чтобы связь «чувствительность = громкость» была применима к наушникам, чувствительность необходимо выражать к напряжению, а не мощности (как это делает Sennheiser). Но большинство производителей вообще не указывают, в каких единицах чувствительность приводится.

Именно по этому «все знают» — что высокоомные наушники тихие, а низкоомные наушники — громкие. И наивно полагают, что для высокоомных наушников нужен «мощный усилитель», а для низкоомных наушников хватит и вшивого смартфона. И хотя на деле все совсем не так, из-за крайне неудачных терминов из стандартов ГОСТ и AES сформировались отдельные «понятия», противоречащие законам физики, но на простонародном языке достаточно точно описывающими результат, вроде: «Для высокоомных наушников нужен мощный усилитель». Физически безграмотно, зато «всё всем понятно».

Затронем эту тему глубже (осторожно, переходим к формулам из школы, начинаем напрягать мозг!)

На выходе усилителя мы напрямую регулируем вовсе не мощность, а лишь уровень напряжения. В зависимости от сопротивления наушников получается уровень тока, потребляемый наушниками, что в свою очередь определяет итоговый уровень мощности.

Это очень важно понимать, т.к. не изменяя уровень напряжения на выходе усилителя, мы никак физически не можем отдельно увеличить уровень тока и тем самым увеличить уровень мощности.

U=I*R, где
U – напряжение на выходе усилителя, В
I – сила тока, А
R – сопротивление наушников, Ом

W=I*U, где
W – мощность на выходе усилителя, Вт
U – напряжение на выходе усилителя, В
I – сила тока, А

Если у вас мозги не вскипели от двух простых формул, можно двигаться дальше.

Отличным примером служат наушники Beyerdynamic серии DT 770 с разным сопротивлением, в 32, 80, 250 и 600 Ом (часть моделей снята с производства).

У всех наушников единая чувствительность в 96 дБ/мВт, что означает, что если мы подадим на наушники ровно 1 мВт, то уровень звукового давления будет равен 96 дБ SPL.

При 1 мВт для разных моделей нам надо подать разные соотношения напряжения и тока:
Сопротивление, Ом 32 80 250 600
Напряжение при 1 мВт, мВ 179 283 500 775
Ток при 1 мВт, мА 5,6 3,5 2 1,3

Т.е. низкоомной модели в 32 Ом требуется самое низкое напряжение, но самое высокое значение уровня тока.

Высокоомной модели наоборот нужно самое высокое напряжение, но низкий уровень тока.

Возвращаемся к тому, что на выходе усилителя мы выставляем уровень напряжения. У смартфонов это порядка 200-300 мВ. Физически видно ограничение по громкости для высокоомных наушников, что делает высокоомные наушники автоматически «тихими». И нам на деле не хватает не «мощности» усилителя, а банально напряжения.

А ведь если бы все производители указывали чувствительность к напряжению, то все было бы очень наглядно:
Сопротивление, Ом 32 80 250 600
Чувствительность, дБ/мВт 96 96 96 96
Чувствительность, дБ/В 111 107 102 98

Как видно из таблицы, разница в громкости между моделями с чувствительностью в 96 дБ/мВт для 32 и 600 Ом составляет 13 дБ.
По данным чувствительности к напряжению мы видим прямую связь с громкостью.

Основные выводы


  • Чувствительность надо смотреть не к мощности, а к напряжению. Только так можно сопоставить наушники по «громкости»
  • Чем ниже сопротивление, тем выше чувствительность наушников. Чем выше сопротивление, тем соответственно ниже чувствительность.


И теперь, когда мы видим, что при разном сопротивлении от усилителя требуются разные уровни напряжения и тока, можно перейти к другим зависимостям, на которые влияет сопротивление наушников.

Время работы плеера или смартфона


Чем выше сопротивление наушников – тем дольше будет работать плеер или смартфон без подзарядки, т.к. высокоомные наушники потребляют меньше тока (при условии, что наушники слушаются на «максимуме» независимо от итоговой фактической громкости).
image
Если у вас тихий смартфон – то реального выбора в наушниках с разными сопротивлениями нет, достаточная чувствительность будет только у низкоомных наушников.

Однако, если у вашего смартфона или плеера «мощный» выход (т.е. обеспечивающий уровень по напряжению выше 200-300 мВ), то можно выбирать между высокочувствительными низкоомными наушниками и менее чувствительными с более высоким сопротивлением. В этом случае при равной громкости на выходе, замена 16 Ом на 32 Ом уменьшит потребление тока на одну треть. На фоне потребления энергии процессором и прочих микросхем, смартфон или плеер возможно проработает конечно не на одну треть дольше, а на четверть или пятую часть. Например с плеером Colorfly C4 Pro время работы варьируется от 5 до 8 часов (5 часов с M-Audio IE40 с сильной просадкой в области высоких частот и 8 часов с высокоомными наушниками).

К «мощным» плеерам, таким как iHiFi или Hidisz, стоит подбирать наушники с большим сопротивлением, а проверять достаточность уровня громкости, в магазине «не отходя от кассы». В магазинах Soundpal все можно послушать и попробовать до покупки.

Возвращаясь к графикам с примерами сопротивлений:
  • Однодрайверные арматурные наушники в реальности обладают более высоким средним сопротивлением и с ними смартфон или плеер может дольше работать без подзарядки.
  • Многодрайверные наушники могут обладать наоборот меньшим средним сопротивлением и с ними смартфон или плеер может работать меньше по времени без подзарядки.


Качество звучания


«Все знают», что «высокоомные наушники звучат качественнее». Но в данном случае не наушники качественнее звучат, а усилитель отдает меньше тока и в итоге меньше искажений со стороны усилителя. Но это правило — не догма, если усилитель будет работать с уровнем напряжения, превышающего его штатный режим, то источником искажений будет перегрузка не по току, а по напряжению.
image
В этом и заключается большой секрет качества однодрайверных арматурных наушников (таких, как Grado GR8 и GR10, моделей Etymotic, старших Klipsh), где благодаря подъемам в области верхних средних и высоких частот получается качественное звучание с теми плеерами и телефонами, где полный ужас с низкоомными динамическими наушниками.

АЧХ наушников


Если усилитель не обладает нулевым сопротивлением, то итоговая АЧХ будет меняться в зависимости от кривой импеданса как наушников, так и усилителя. Подробно это рассмотрим в одном из следующих выпусков, тем более, что для этого требуется рассмотреть на что влияет полное выходное сопротивление (импеданс) усилителя.

Как измерить сопротивление наушников?


Для получения детального графика нужно специализированное ПО и стенд. Но для выяснения величины активного сопротивления (в области самых низких частот) достаточно бюджетного мультиметра, стоимостью от 200 руб.

image

Вполне нормально при покупке наушников проверить сопротивление правого и левого канала, расхождение не должно превышать 2-3 Ом между каналами в большинстве случаев.

Автор Кузнецов Роман romanrex
+63
225.5k 318
Comments 59
Top of the day