Амплитудно-частотная характеристика при взаимодействии импедансов усилителя и наушников

Рассмотрим подробно влияние взаимосвязи сопротивлений наушников и усилителя на общее звучание.

В типовой упрощенной электрической схеме из источника тока и сопротивления нагрузки R_Headphones мы имеем дело с дополнительным сопротивлением R_Amplifier.

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.

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 U_Headphones, 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

Включаем усилитель, выставляем уровень равный 1 В (0 dBV). Если у усилителя выходное сопротивление 300 Ом, то при подключении наушников с сопротивлением в 32 Ом на выходе будет не 1 В, а всего 0.096 В (или -20 dBV).

Подставляем данные по формулам
0.096 = 1*32/(32+300)
-20.3 = 20*Log10(32/(32+300))

У Grado GR 10 сопротивление в области низких и средних частот равно 16 Ом, а в области высоких частот достигает 150 Ом.

Посмотрим на то, как будет проседать напряжение при подключении Grado GR 10 к усилителям с постоянным сопротивлением, у которых без нагрузки выставлен одинаковый уровень.

Видно, что при увеличении сопротивления усилителя АЧХ снижается по уровню. Но при этом снижение АЧХ неравномерное, в области высоких частот, где сопротивление выше, снижение меньше. В диапазоне частот с низким сопротивлением наушников снижение уровня наиболее велико.

Если мы приведем все полученные АЧХ к одному уровню в области низких частот, то наглядно увидим общее изменение АЧХ, в данном случае при повышении сопротивления усилителя мы получаем подъем в области высоких частот.

Как видно выше, формулы для расчета не слишком сложные, но 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.

Для большей наглядности, был проведен анализ импедансов наушников и усилителей, выбраны наиболее типовые и добавлены в отчеты как наиболее часто встречающиеся.