Амплитудно-частотная характеристика при взаимодействии импедансов усилителя и наушников
Электрическая схема и формулы
Рассмотрим подробно влияние взаимосвязи сопротивлений наушников и усилителя на общее звучание.В типовой упрощенной электрической схеме из источника тока и сопротивления нагрузки RHeadphones мы имеем дело с дополнительным сопротивлением RAmplifier.
Само сопротивление принято называть импедансом или полным выходным сопротивлением усилителя. Более сложное название подчеркивает, что сопротивление может быть непостоянным и меняться в зависимости от частоты т.к. помимо активного сопротивления в нем содержится и реактивное. Это справедливо как для сопротивления наушников, так и усилителя. В более серьезном представлении импеданс обозначается не через букву R, а Z. Но в данном случае мы рассматриваем общие основы и делаем ряд упрощений.
электрическая схема в упрощенном виде
Когда наушники подключаются к усилителю, то их АЧХ меняется из-за индивидуального согласования импеданса наушников, сопротивления проводов и полного выходного сопротивления усилителя.
Закономерный вопрос, как именно это происходит? Вернемся в электрической схеме и школьному курсу физики, и составим уравнение как для напряжения на наушниках UHeadphones, так и изменение уровня в дБ.
Из-за сопротивления усилителя будет дополнительное падение напряжения в цепи, зависящее от сопротивления нагрузки (в данном случае наушников). Две основные зависимости:
Закономерный вопрос, как именно это происходит? Вернемся в электрической схеме и школьному курсу физики, и составим уравнение как для напряжения на наушниках UHeadphones, так и изменение уровня в дБ.
Из-за сопротивления усилителя будет дополнительное падение напряжения в цепи, зависящее от сопротивления нагрузки (в данном случае наушников). Две основные зависимости:
- Чем ниже будет сопротивление наушников, тем больше будет падение напряжения на наушниках
- Чем выше будет сопротивление усилителя, тем больше будет падение напряжения на наушниках
Примеры
Наушники с постоянным сопротивлением
Для примера включим усилитель и выставим уровень равный 1 VRMS (0 dBV).
Если у усилителя выходное сопротивление 300 Ом во всем воспроизводимом частотном диапазоне, то при подключении наушников с сопротивлением в 32 Ом на выходе будет не 1 В, а всего 0.096 В (или -20 dBV). Таким образом, уровень громкости будет снижен на 20 дБ.
Графики напряжений для усилителей с любым выходным сопротивлением наушников можно построить отдельно в сервисе "Напряжение и чувствительность". В примере
усилитель с напряжением без нагрузки в 0 dBV и выходным сопротивлением 300 Ом показан пунктирной линией. Настраивается в "усилитель по параметрам".
Если у усилителя выходное сопротивление 300 Ом во всем воспроизводимом частотном диапазоне, то при подключении наушников с сопротивлением в 32 Ом на выходе будет не 1 В, а всего 0.096 В (или -20 dBV). Таким образом, уровень громкости будет снижен на 20 дБ.
Графики напряжений для усилителей с любым выходным сопротивлением наушников можно построить отдельно в сервисе "Напряжение и чувствительность". В примере
усилитель с напряжением без нагрузки в 0 dBV и выходным сопротивлением 300 Ом показан пунктирной линией. Настраивается в "усилитель по параметрам".
Как считать?
Подставляем данные по формулам:Напряжение в VRMS, где:
- 1 VRMS - напряжение без нагрузки
- 32 Ом - сопротивление наушников
- 300 Ом - сопротивление усилителя
Отклонение в дБ: -20.3 = 20*Log10(32/(32+300))
В сервисе "АЧХ и SPL от параметров усилителя" можно поэкспериментировать с разными наушниками и величиной выходного сопротивления наушников. В примере выше HiFiMan Re400.
Наушники с непостоянным сопротивлением
Если у усилителя и наушников сопротивление постоянное, то все взаимное влияние проявляется лишь в изменении громкости и не заметно на АЧХ. Знание о снижении напряжения на выходе в таких случаях помогают лишь понять разные возможности по максимально возможной громкости связки из усилителя и наушников.Но ряд моделей наушников обладают неравномерным графиком импеданса и снижение уровня происходит неравномерно в разных частотный диапазонах.
В примерах показаны варианты из сервисов АЧХ и SPL от параметров усилителя
для примера падения напряжения и неравномерном снижении графика АЧХ и варианты из сервиса Сравнение АЧХ/SPL связок из наушников и усилителей для наглядного изменения АЧХ, когда громкость выравнивается к одному уровню и заметно лишь изменение АЧХ.
Наушники с динамическим излучателем полноразмерного типа
В полноразмерных наушниках динамического типа можно встретить подъем на кривой импеданса. В наушниках внутриканального типа импеданс как правило не содержит подъема в области низких частот.В полноразмерных наушниках динамического типа можно встретить подъем на кривой импеданса в области низких частот. При подключении к усилителю с высоким выходным сопротивлением звучание воспринимается более басовитым.
В примере для падения напряжения и снижения уровня АЧХ в примере используются наушники Kennerton Vali и усилители с различным сопротивлением:
- 0 Ом - Chord Hugo TT
- 16 Ом Xiaomi Redmi Note 4
- 33 Ом Creative X-Fi Xtreme Gamer Fatal1ty Professional Series
- 50 Ом Walnut V3 Balance
- 100 Ом ASUS STRIX RAID PRO
- 300 Ом Technics SE-A5 HP Out
Наушники с арматурным излучателем внутриканального типа c одним драйвером
Наушники арматурного обладают характерной кривой импеданса. Обычно у однодрайверных арматурных моделей сопротивление увеличивается в области высоких частот.
В примере для падения напряжения и снижения уровня АЧХ в примере используются наушники Grado GR 10 и усилители с различным сопротивлением:
- 0 Ом - Chord Hugo TT
- 16 Ом Xiaomi Redmi Note 4
- 33 Ом Creative X-Fi Xtreme Gamer Fatal1ty Professional Series
- 50 Ом Walnut V3 Balance
- 100 Ом ASUS STRIX RAID PRO
- 300 ОмTechnics SE-A5 HP Out
Многодрайверные наушники внутриканального типа
Многодрайверные наушники могут обладать совершенно непредсказуемым графиком импеданса. Многодрайверные наушники могут быть как арматурного, так и гибридного типа (многодрайверные модели с использованием динамических и арматурных излучателей).
В примере для падения напряжения и снижения уровня АЧХ в примере используются наушники M-Audio IE 40 и усилители с различным сопротивлением:
- 0 Ом - Chord Hugo TT
- 16 Ом Xiaomi Redmi Note 4
- 33 Ом Creative X-Fi Xtreme Gamer Fatal1ty Professional Series
- 50 Ом Walnut V3 Balance
- 100 Ом ASUS STRIX RAID PRO
- 300 ОмTechnics SE-A5 HP Out
Неравномерный импеданс у усилителей
Обычно у усилителей ровный импеданс, но иногда, например у моделей с однополярным питанием, на выходе стоит конденсатор для выравнивания нуля. График импеданса обладает подъемом в области низких частот, что в свою очередь приводит к снижению баса у низкоомных наушников.В примере выбрано три источника с таким типом усилителя: Laconic LunchBox H-Amp, Colorful Colorfly C4 Pro и Fly FS504 Cirrus 2.
Chord Hugo TT в примере выступает как усилитель, который не влияет на конечную АЧХ.
Внедрено в RAA
Как видно выше, формулы для расчета не слишком сложные и дают достаточно интересную информацию, которая способна частично пояснить разницу звучания наушников в разных связках. Только в Reference Audio Analyzer эта взаимосвязь была популяризована и обобщена. Если раньше это звучало как "АЧХ как-то изменится", то теперь это наглядные конкретные данные в отчетах и on line сервисах прямого сравнения.Для большей наглядности в типовых отчетах, был проведен анализ импедансов наушников и усилителей, выбраны наиболее часто встречаемые варианты и добавлены в отчеты как "типовые".