Analytical table and recommendation for using headphones with different types of amplifiers based on the measured characteristics
About
For whom RAA made this: for those who is hard to understand graphs or/and for who want to see brief graph analysis in common words. RAA developed an algorithm to calculate the compatibility of sources and headphones. This table is the first step to create a simplified general report. We want to make two reports: first short simplified report for simple user and second report for a pro.
Such the algorithm became possible due to:
- Measuring the sensitivity of headphones and power characteristics of sources.
- Determination of the average statistical data for different headphones and sources (amplifiers).
- Direct comparison of headphones live and comparison of the received data after measurements.
From the idea of the table to the final implementation took about three years. And gradually the algorithm is being improved for modern products.
In this general table, we show the most common variations of sound sources and the field of headphones application.
The compatibility rating is similar to car analysis based on its ground clearance - on which road the car will move optimal without evaluating the class of the car. On a race car of Formula 1 is difficult to drive on a ground road. The same foolish idea to use caterpillar all-terrain vehicle on a highway.
The table allows to estimate the most complete opening of the potential of headphones while use with amplifiers of a similar class, but with different power parameters.
|
Analysis and recommendations for ASTRO Gaming A40 based on the measured characteristics |
Sources
(to which the headphones will be connected) |
Areas of using headphones |
Sensitivity |
Impedance |
The type of acoustic design |
Total |
| 113.27 dB/V SPL |
62.22 ohm |
Semi-open |
|
Low-power sources -18dBV/6dB(mA), S/N 105 dB:
a smartphone
a player
a tablet
|
Home or studio, where sound from the headphones does not bother anyone |
2
★★☆☆☆ | 5
★★★★★ | 3
★★★☆☆ | 3.3
★★★☆☆ |
| Office and home, where people should not hear the sound from the headphones |
2
★★☆☆☆ | 5
★★★★★ | 3
★★★☆☆ | 3.3
★★★☆☆ |
| Street with active traffic |
1
★☆☆☆☆ | 4
★★★★☆ | 3
★★★☆☆ | 2.7
★★☆☆☆ |
| Metro (subway), public transport |
1
★☆☆☆☆ | 3
★★★☆☆ | 3
★★★☆☆ | 2.3
★★☆☆☆ |
Mid-power sources 6dBV/30dB(mA), S/N 120 dB:
a computer with sound card
a Hi-Fi player
a portable amplifier
a mixer console
|
Home or studio, where sound from the headphones does not bother anyone |
5
★★★★★ | 5
★★★★★ | 3
★★★☆☆ | 4.3
★★★★☆ |
| Metro (subway), public transport |
4
★★★★☆ | 5
★★★★★ | 3
★★★☆☆ | 4.0
★★★★☆ |
| Recording a voice or instrument in the studio |
5
★★★★★ | 5
★★★★★ | 3
★★★☆☆ | 4.3
★★★★☆ |
Hi-power sources 18dBV, S/N 120 dB:
a home system with a headphone amplifier
|
Home or studio, where sound from the headphones does not bother anyone | 5
★★★★★ | 5
★★★★★ | 3
★★★☆☆ | 4.3
★★★★☆ |
| Office and home, where people should not hear the sound from the headphones |
5
★★★★★ | 5
★★★★★ | 3
★★★☆☆ | 4.3
★★★★☆ |
Optimum volume level
The combination of headphones and a source is ideal if it is possible to get the optimum volume level for listening to music.
The sensitivity parameters of the headphones and the power of the amplifier are not indicated to the musical signal. It is common that parameters are indicated to the sine. This gives distorted data while we calculate the sound pressure for music by the power of the amplifier and the sensitivity of the headphones.
In RAA we set a comfortable volume level and after determined, with which level it corresponds to the characteristics of headphones and amplifiers. At fixed values of the sound level meter, an average of 85-90 dB SPL resulted in the equivalent of 99 dB SPL, if we summarize the output voltage at the amplifier output with the sensitivity of the headphones.
В сервисе сравнения
напряжение и чувствительность
уровень звукового давления указывается двумя величинами, общим звуковым давлением и поправкой на пик-фактор музыкального сигнала.
Таким образом получается основное звуковое давление в 90 дБ SPL и пик-фактор 9 дБ, которые в сумме дают 99 дБ SPL.
Analysis of the sensitivity of headphones
The optimal volume level we determined for ideal conditions, when there is no outside noise. In reality, the situation is different and an amendment is made for each specific situation.
If the headphones is with noise cancellation, the level is reduced by 6 dB, and with a partial noise cancellation by 3 dB.
The surrounding situation is estimated by a factor from 0 to 2. Then it is added to the optimal level by multiplying the coefficient by 6 dB.
SPL
Optimal = SPL
Optimal basic + K
Environment•6 - N
Noise cancellation
where
- SPLOptimal - Optimal baseline 99 dB SPL
- K Environment – noise environment factor
- N Noise cancellation – amendment noise isolation headphones
Having received the value of the optimal level, we make an estimate of the capabilities of the source, based on its power parameters.
We can have two variants of poor compatibility: the source is too quiet or too loud.
For example, for headphones with partial noise insulation (closed type) in a noisy subway train environment, the optimal volume level will be:
Optimal = 99 dB SPL + 2•6 дБ –6 dB = 105 dB SPL
A source is too quiet
A source is too quiet and can not provide the required volume with specific headphones.
Calculate the difference between the source and the optimal level.
Delta = HP
Sensitivity + Amp
Voltage - SPL
Optimal - Gain
Plus
where
- HP Sensitivity - Headphone sensitivity of voltage
- Amp Voltage – Maximum voltage level in dBV
- SPL Optimal – Previously calculated optimum required level
Mark = 5 +[Delta/6]
For example, for headphones with a sensitivity of 99.00 dB/V SPL and a player with a level of -6 dBV will be:
Delta = 99.00 dB/V SPL + -6 dBV - 105 dB SPL = -12.00 dB
Thus, the maximum volume level differs from the desirable by -12.00 дБ.
Mark = 5-[ 12.00/6] = 5-[2.00] =5 -2 = 3
On a five-point scale, the difference by 6 dB decreases by one.
Каждая точка - это уровень напряжения, который требуется наушникам для уровня звукового давления 105 дБ SPL. В примере усилитель для простоты обладает нулевым сопротивлением и напряжение усилителя представляет собой прямую линию. Если точка наушников выше линии напряжения, значит усилитель не обеспечивает нужного напряжения. Если точка ниже, то соответственно обеспечивает с дополнительным запасом по уровню.
Расчетная Delta показывает, насколько максимальный уровень громкости отличается от желаемого. Если значение Delta положительное (точка находится ниже серой линиии), то напряжения усилителя достаточно и оценка по отношению к верхней границе равна 5.
По пятибальной шкале разница на 6 дБ отнимает единицу от оценки.
Для наушников HP1 с чувствительностью 113.00 дБ/В SPL.
Delta = 113.0 дБ/В SPL -6 dBV - 105 дБ SPL - 12 дБ = -10.0 дБ.
Оценка = 5 - [10.0/6] = 5 - [1.7] = 5 - 2 = 3
Для наушников HP2 с чувствительностью 125.00 дБ/В SPL.
Delta = 125.0 дБ/В SPL -6 dBV - 105 дБ SPL - 12 дБ = 2.0 дБ.
Запас по напряжению положительный в 2.0 дБ, оценка равна 5.
Для наушников HP3 с чувствительностью 95.00 дБ/В SPL.
Delta = 95.0 дБ/В SPL -6 dBV - 105 дБ SPL - 12 дБ = -28.0 дБ.
Оценка = 5 - [28.0/6] = 5 - [4.7] = 5 - 5 = 0 => 1
Для наушников HP4 с чувствительностью 140.00 дБ/В SPL.
Delta = 140.0 дБ/В SPL -6 dBV - 105 дБ SPL - 12 дБ = 17.0 дБ.
Запас по напряжению положительный в 17.0 дБ, оценка равна 5.
Если значение оценки получается менее 1, то для таблицы и подбора оценка ставится равной 1 (как минимальная оценка в школе).
The source is too loud
Многие современные устройства используют цифровую регулировку громкости, и при выставлении малого уровня фоновый шум на выходе не убавляется и становится заметным на фоне воспроизводимой музыки.
У устройств с аналоговым регулятором часто наблюдается разбалансировка громкости между правым и левым каналом из-за несовершенства типовых переменных резисторов, управляющий уровнем громкости. Для каждого усилителя назначается оптимальный диапазон регулировки громкости.
Если для верхней границы расчет идет для напряжения выбранного эквивалентного класса (по умолчанию - А), то для нижней границы расчет идет от максимального напряжения.
Delta = HP
Sensitivity + Amp
Voltage Max - SPL
Optimal - Volume
Optimal Range
где
- HP Sensitivity - чувствительность наушников к напряжению
- Amp Voltage Max – максимальный уровень напряжения усилителя в dBV
- SPL Optimal – оптимальный требуемый уровень, рассчитанный ранее
- Volume Optimal Range – диапазон регулировки громкости усилителя
Оценка = 5 -[Delta/6]
В примере у нас усилитель с выходным уровнем напряжения 6 dBV. Дополнительно на графике отображена граница с учетом поправки регулировки громкости, которая ниже на 36 дБ. Именно с этой нижней границей и происходит сравнение.
Для наушников Custom_HP с чувствительностью 113.00 дБ/В SPL.
Delta = 113.0 дБ/В SPL + 6 dBV - 105 дБ SPL - 36 дБ = -22.0 дБ.
Запас по напряжению положительный в 22.0 дБ, оценка равна 5.
Для наушников Custom_HP с чувствительностью 125.00 дБ/В SPL.
Delta = 125.0 дБ/В SPL + 6 dBV - 105 дБ SPL - 36 дБ = -10.0 дБ.
Запас по напряжению положительный в 10.0 дБ, оценка равна 5.
Для наушников Custom_HP с чувствительностью 95.00 дБ/В SPL.
Delta = 95.0 дБ/В SPL + 6 dBV - 105 дБ SPL - 36 дБ = -40.0 дБ.
Запас по напряжению положительный в 40.0 дБ, оценка равна 5.
Для наушников Custom_HP с чувствительностью 140.00 дБ/В SPL.
Delta = 140.0 дБ/В SPL + 6 dBV - 105 дБ SPL - 36 дБ = 5.0 дБ.
Оценка = 5 - [5.0/6] = 5 - [0.8] = 5 - 1 = 4
Конечная оценка по напряжению учитывает оценку как по верхней границе, так и по нижней в виде минимального значения.
Analysis of the headphones impedance
Анализ сопротивления наушников и тока усилителя порказывает не столько грокость связки, сколько потенциал качества.
При анализе сопротивления наушников мы берем ранее рассчитанный оптимальный уровень громкости SPL
Optimal и оцениваем источник по максимальному току, без учета напряжения.
Если есть запас по току, то будет оценка 5 по пятибалльной шкале. Если тока недостаточно, то оценка снижается.
Исходя из характеристик выходного тока усилителя определяем возможный уровень напряжения под нагрузками (сопротивлениями наушников) без учета максимального напряжения.
U
Iout =20•Log
10(10
0.001•IAMP/20•R
HP)
где
- IAMP - выходной ток усилителя под выбранным классом эквивалентной мощности в дБ(мА)
- R HP – сопротивление наушников
Формула выглядит немного сложной, т.к. напряжение и ток выражены в дБ. Если сделать график линией по всему диапазону нагрузок, то это будет прямая наклонная линия.
Второй шаг - определяем необходимый уровень напряжения для наушников.
U
Optimal = SPL
Optimal - HP
Sensitivity
где
- HP Sensitivity - чувствительность наушников к напряжению
- SPL Optimal – оптимальный требуемый уровень звукового давления
Теперь считаем разницу между U
Iout и U
Optimal.
Delta = U
Iout - U
Optimal
Если раница положительная, значит тока хватает и оценка 5. Если отрицательная, то:
Оценка = 5 -[Delta/6]
В примере у усилителя выходной ток равен 12 дБ(мА).
Для наушников HP1 с чувствительностью 113.0 дБ/В SPL и сопротивлением 50.0 Ом.
V Iout =20•Log10(0.001•1012.0 дБ(мА)/20•50.0 Ом)= -14.0 dBV
V Optimal = 105 dB SPL - 113 dB/V SPL = -8.0 dBV.
Delta = -14.0 dBV - ( -8 дБ) = -6.0 дБ.
Оценка = 5 - [6.0/6] = 5 - [1.0] = 5 - 1 = 4
Для наушников HP2 с чувствительностью 125.0 дБ/В SPL и сопротивлением 32.0 Ом.
V Iout =20•Log10(0.001•1012.0 дБ(мА)/20•32.0 Ом)= -17.9 dBV
V Optimal = 105 dB SPL - 125 dB/V SPL = -20.0 dBV.
Delta = -17.9 dBV - ( -20 дБ) = 2.1 дБ.
Запас по напряжению положительный в 2.1 дБ, оценка равна 5.
Для наушников HP3 с чувствительностью 95.0 дБ/В SPL и сопротивлением 300.0 Ом.
V Iout =20•Log10(0.001•1012.0 дБ(мА)/20•300.0 Ом)= 1.5 dBV
V Optimal = 105 dB SPL - 95 dB/V SPL = 10.0 dBV.
Delta = 1.5 dBV - ( 10 дБ) = -8.5 дБ.
Оценка = 5 - [8.5/6] = 5 - [1.4] = 5 - 2 = 3
Для наушников HP4 с чувствительностью 140.0 дБ/В SPL и сопротивлением 16.0 Ом.
V Iout =20•Log10(0.001•1012.0 дБ(мА)/20•16.0 Ом)= -23.9 dBV
V Optimal = 105 dB SPL - 140 dB/V SPL = -35.0 dBV.
Delta = -23.9 dBV - ( -35 дБ) = 11.1 дБ.
Запас по напряжению положительный в 11.1 дБ, оценка равна 5.
Mark of noise isolation headphones
The mark of headphones noise isolation depends from external conditions and requirements to noise isolation. For example, for a cyclist on the street among machines, noise insulation is contraindicated. In the subway in a noisy environment, noise insulation is a must.
- If the headphones have noise isolation and it is needed, then the mark is 5.
- If there is noise isolation and it is not needed or vice versa, there is no noise isolation and it is needed, then a mark is 1.
- For headphones with a partial noise isolation mark is 3.
The final mark is the arithmetic mean of the three marks
More detailed
The FAQ was made by the creator of the RAA project Roman Kuznetsov.
Each FAQ is a detailed answer to a question from a site visitor. Or a text that could be repeated from review to review, but framed in a separate article allows you to make the reviews more compact.
Kuznetsov Roman
Founder of RAA
Known by the nickname romanrex
Аuthor of articles iXBT.com
Information for Authors. You can freely use the graphics in your articles with a link to us.
it is a translation from the Russian language. Original text in
Russian page.
You can help us with the correct translation into English.
Comments
No comments for this page.
