Таблица анализа и рекомендаций совместимости усилителя с наушниками
О таблице совместимости и рекомендаций
Для тех, кто еще не разбирается в графиках или хочет увидеть краткий анализ на «простом языке» в RAA был разработан алгоритм расчета совместимости источников и наушников. Эта таблица - первый шаг к созданию упрощенного отчета, разделяя отчет для простого пользователя и отчет для профессионала.
Такой алгоритм стал возможен за счет:
- Измерения чувствительности наушников и мощностных характеристик источников (усилителей).
- Определения средних статистических данных для разных наушников и источников.
- Прямого сравнения наушников вживую и сопоставления полученных данных после измерений.
От идеи таблицы «а раскачает ли мой Hi-Fi плеер мои наушники» до конечной реализации ушло примерно три года. И постепенно алгоритм совершенствуется под современные продукты.
В общей таблице представлены наиболее часто распространенные варианты наушников и области применения. Рейтинг совместимости аналогичен анализу автомобиля по его клиренсу – по какой дороге автомобиль будет оптимально ехать без оценки класса автомобиля. На гоночном болиде формулы 1 сложно доехать до дачи по грунтовой дороге, и на гусеничном дорогом вездеходе глупо ехать по скоростной магистрали.
Таблица позволяет оценить наиболее полное раскрытие потенциала усилителя при использовании в связке наушников аналогичного класса, но с разными параметрами чувствительности и сопротивления.
| Анализ и рекомендации для Xiaomi Redmi Note 4X PowerAmp на основе измеренных характеристик |
| Наушники |
Места использования наушников |
Напряжение без нагрузки макс F.A.Q. / в экв. классе А F.A.Q., dBV |
Ток в экв. классе А F.A.Q., дБ(мА) |
Необходимость шумоизоляции |
Итог |
| -4.75 /-4.75 |
9.17 |
Внутриканальные или вставные
Чувствительность: 126 дБ/В SPL
Импеданс: 16 Ом
Тип акустического оформления: Закрытый
Примеры ±6 дБ |
Дом или студия, где звук из наушников никому не мешает |
5
★★★★★ |
5
★★★★★ |
1
★☆☆☆☆ |
3.7
★★★☆☆ |
| Офис и дом, где окружающие не должны слышать звук от наушников |
5
★★★★★ |
5
★★★★★ |
5
★★★★★ |
5.0
★★★★★ |
| Улица с активным движением транспорта |
5
★★★★★ |
5
★★★★★ |
1
★☆☆☆☆ |
3.7
★★★☆☆ |
| Метро, Пассажирский транспорт |
5
★★★★★ |
4
★★★★☆ |
5
★★★★★ |
4.3
★★★★☆ |
Внутриканальные или вставные
Чувствительность: 120 дБ/В SPL
Импеданс: 32
Ом
Тип акустического оформления: Открытый
Примеры ±6 дБ |
Дом или студия, где звук из наушников никому не мешает |
5
★★★★★ |
5
★★★★★ |
5
★★★★★ |
5.0
★★★★★ |
| Офис и дом, где окружающие не должны слышать звук от наушников |
5
★★★★★ |
5
★★★★★ |
1
★☆☆☆☆ |
3.7
★★★☆☆ |
| Улица с активным движением транспорта |
4
★★★★☆ |
4
★★★★☆ |
5
★★★★★ |
4.3
★★★★☆ |
| Метро, Пассажирский транспорт |
3
★★★☆☆ |
3
★★★☆☆ |
1
★☆☆☆☆ |
2.3
★★☆☆☆ |
Полноразмерные низкоомные
Чувствительность: 115 дБ/В SPL
Импеданс: 32 Ом
Тип акустического оформления: Закрытый
Примеры ±6 дБ |
Дом или студия, где звук из наушников никому не мешает |
5
★★★★★ |
5
★★★★★ |
1
★☆☆☆☆ |
3.7
★★★☆☆ |
| Офис и дом, где окружающие не должны слышать звук от наушников |
5
★★★★★ |
5
★★★★★ |
5
★★★★★ |
5.0
★★★★★ |
| Улица с активным движением транспорта |
5
★★★★★ |
4
★★★★☆ |
1
★☆☆☆☆ |
3.0
★★★☆☆ |
| Метро, Пассажирский транспорт |
4
★★★★☆ |
3
★★★☆☆ |
5
★★★★★ |
3.7
★★★☆☆ |
Полноразмерные низкоомные
Чувствительность: 115 дБ/В SPL
Импеданс: 32 Ом
Тип акустического оформления: Открытый
Примеры ±6 дБ |
Дом или студия, где звук из наушников никому не мешает |
5
★★★★★ |
4
★★★★☆ |
5
★★★★★ |
4.3
★★★★☆ |
| Улица с активным движением транспорта |
4
★★★★☆ |
3
★★★☆☆ |
5
★★★★★ |
3.7
★★★☆☆ |
| Метро, Пассажирский транспорт |
3
★★★☆☆ |
2
★★☆☆☆ |
1
★☆☆☆☆ |
1.7
★☆☆☆☆ |
Полноразмерные высокоомные
Чувствительность: 105 дБ/В SPL
Импеданс: 300 Ом
Тип акустического оформления: Открытый
Примеры ±6 дБ |
Дом или студия, где звук из наушников никому не мешает |
3
★★★☆☆ |
5
★★★★★ |
5
★★★★★ |
3.7
★★★☆☆ |
| Улица с активным движением транспорта |
2
★★☆☆☆ |
4
★★★★☆ |
5
★★★★★ |
3.0
★★★☆☆ |
Полноразмерные низкочувствительные
Чувствительность: 95 дБ/В SPL
Импеданс: 60 Ом
Тип акустического оформления: Открытый
Примеры ±6 дБ |
Дом или студия, где звук из наушников никому не мешает |
1
★☆☆☆☆ |
1
★☆☆☆☆ |
5
★★★★★ |
2.3
★★☆☆☆ |
Ниже пример для смартфона Xiaomi Redmi Note 4X PowerAmp (при воспроизведении в плеере PowerAmp с прямым выводом данных) с мощностным характеристиками для эквивалентного класса А:
- с максимальным напряжением до клиппинга или максимально возможного без клиппинга = -4.8 dBV,
- с максимальным напряжением в эквивалентном классе А = -4.8 dBV,
- током в классе А = 9.2 дБ(мА),
в условиях высокого окружающего шума и необходимой шумоизоляции (например в шумном транспорте).
Оптимальная громкость
Связка из наушников и источника является идеальной, если возможно получить оптимальную громкость для прослушивания музыки.
Параметры чувствительности наушников и мощность усилителя выражаются не к музыкальному сигналу, а к синусу, что дает искаженную картину, когда мы рассчитываем звуковое давление для музыки по мощности усилителя и чувствительности наушников.
Мы выставили комфортную громкость и после определили, с каким уровнем это соотносится для характеристик наушников и усилителей. При фиксируемых значениях шумомера в среднем в 85-90 дБ SPL получился эквивалент 110 дБ SPL, если суммировать выставленное напряжение на выходе усилителя с чувствительностью наушников.
Расчет оптимальной громкости с учетом дополнительных условий
Оптимальный уровень громкости мы определили для идеальных условий, когда нет внешнего шума. В реальности же обстановка бывает разной и под каждую конкретную ситуацию вносится поправка.
Если наушники с шумоизоляцией, то уровень уменьшается на 6 дБ, а при частичной шумоизоляции на 3 дБ.
Окружающая обстановка оценивается коэффициентом от 0 до 2. Далее прибавляется к оптимальному уровню через умножение коэф. на 6 дБ.
Optimal = SPL
Optimal + Environment•6 - Noise cancellation
где
- SPLOptimal = оптимальный исходный уровень 110 дБ SPL
- Environment – коэффициент шумности обстановки
- Noise cancellation – поправка шумоизоляции наушников
Например для наушников Sennheiser CX 300-II с шумоизоляцией (закрытого типа) в шумной обстановке в виде метро оптимальный уровень громкости будет:
Optimal = 110 дБ SPL + 2•6 дБ –6 дБ = 116 дБ SPL
Чувствительность наушников и максимальный уровень напряжения усилителя
Получив значение оптимального уровня, определяем необходимые мощностные характеристики источника под оптимальный уровень:
V
Optimal = Optimal - Sensitivity
где,
- Sensitivity - чувствительность наушников к напряжению
- Optimal - оптимальный уровень
Мы определили уровень напряжения, необходимый для выбранных наушников и выбранного уровня громкости.
Далее рассчитываем три значения напряжения.
Для наушников Sennheiser CX 300-II с чувствительностью 130.6 dB/V SPL:
VOptimal = 116 - 130.556862569934 = -14.6 dBV
Максимальный уровень без класса А и ограничения по току
Это максимальный уровень напряжения под выбранную нагрузку. В каких-то случаях именно при таком напряжении у усилителя будет максимальное соотношение синал/шум или это максимальное положение регулятора громкости. Это напряжение не учитывает ограничение по току, а только ограничение по напряжению. Т.е. выше этого уровня нельзя получить более высокое напряжение на выходе при сигнале любой энегетической плотности.
Основная суть формулы в том, что при подключении нагрузки в зависимости от величины внутреннего сопротивления усилителя уровень напряжения на выходе уменьшится.
Т.к. исходные данные в децибеллах "dBV" и "dB(mA)", то ф формулах используется дополнительные перобразования в V и mA и наоборот.
V
Max R =20•Log10(10
VMax/20•R
HP/(R
AMP + R
HP))
где,
- VMax - Максимальное напряжение без нагрузки до начала перегрузки или максимально возможное при выставлении регулятора громкости на максимум
- RAMP - сопротивление усилителя
- RHP - сопротивление наушников
Для наушников Sennheiser CX 300-II с сопроивлением 16.2 Ом и Xiaomi Redmi Note 4X PowerAmp с максимальным уровнем напряжения -4.8 dBV и внутренним сопротивлением 0.7 Ом.
VMax R = 20•Log10(10-4.8/20•16.2/(0.7 + 16.2)) = -5.1 dBV
Минимальный уровень без класса А
При понижении громкости на выходе мы сталкиваемся с разными проблемами. Если регулировка цифровая в ЦАП, то сигнал шум уменьшается ровно на ту же величину, что и снизили через регулировку громкости, т.к. полезный уровень сигнала уменьшился, а фоновый шум осталься на том же уровне. Если регулировка через аналогвы регулятор, то соотношение сигнал шум может сохранится или снизится не так сильно, но у большинства регуляторов в области низких значений наблюдается дисбаланс панорамы (неодинаково уменьшаются уровни правого и левого канала) или регулировка затруднена. Например при использовании дискретных регуляторов может быть большой шаг при регулировке. Для общего случая диапазон регулировки от максимум выбран как 36 дБ.
V
Min R = V
Max R - Range
где,
- VMax R - Максимальное напряжение без нагрузки до начала перегрузки или максимально возможное при выставлении рег улятора громкости на максимум
- Range - диапазон оптимальной регулировки громкости
Для Xiaomi Redmi Note 4X PowerAmp:
VMin R = -5.1 - 36 = -41.1 dBV
Максимальный уровень в эквивалентном классе А
Это максимальный уровень в максимально качественном режиме для выбранного усилителя. Максимальный уровень расчитывается по напряжению и току.
По напряжению:
V
Class A R = 20•Log10(10
VClass A/20•R
HP/(R
AMP + R
HP))
где,
- VClass A - Максимальное напряжение без нагрузки в классе А
- RAMP - сопротивление усилителя
- RHP - сопротивление наушников
По току:
V
Class A IR = 20•Log10(10
(IClass A+dBmusic)/20)•R
HP/1000)
где,
- VClass A - Максимальное напряжение без нагрузки в классе А
- dBmusic - поправка по току по энергетической плотности музыки в сравнении с синусом, 12 дБ
- RHP - сопротивление наушников
Для наушников Sennheiser CX 300-II с сопротивлением 16.2 Ом и Xiaomi Redmi Note 4X PowerAmp с максимальным уровнем напряжения в эквивалентном классе А -4.8 dBV, максимальным током в эквивалентном классе А 9.2 дБ(мА) и внутренним сопротивлением 0.7 Ом.
VClass A R = 20•Log10(10-4.8/20•16.2/(0.7 + 16.2)) = -5.1 dBV
VClass A IR = 20•Log10(10(9.2+dBmusic)/20•16.2/1000) = -14.7 dBV
Оптимальный диапазон
Оценка по напряжению
Если VOptimal попадает в диапазон между VClass A R и VMin R, то оценка 5. Это значит, что хватило уровня в качестве, эквивалентному классу А и при этом регулятор громкости понижен не настолько, что бы отчетливо слышать шум или иметь проблемы с дисбалансом каналов.
Если VOptimal не попадает в диапазон VClass A R и VMin R, то оценка уменьшается на 1 каждые 6 дБ. Минимальной оценкой является 1.
Если VClass A R ниже VOptimal
Оценка = 5- [1+(VOptimal - VClass A R)/6]
Если VOptimal ниже VMin R
Оценка = 5- [1+(VMin R - VOptimal)/6]
У нас получилось, что максимальный уровень в эквивалентном классе А равен -5.1 dBV, минимальный уровень -41.1 dBV и необходимый нам уровень -14.6 dBV.
VOptimalпопал в диапазон значений, при этом остался запас на повышение громкости в 9.4161760031331 дБ и понижения в 26.583823996867 дБ.
Оценка = 5
Оценка по току
Если VOptimal попадает в диапазон между VClass A IR и VMin R , то оценка 5. Это значит, что хватило уровня в качестве, эквивалентному классу А и при этом регулятор громкости понижен не настолько, что бы отчетливо слышать шум или иметь проблемы с дисбалансом каналов.
Если VOptimal не попадает в диапазон VClass A IR и VMin R, то оценка уменьшается на 1 каждые 6 дБ. Минимальной оценкой является 1.
Если VClass A IR ниже VOptimal
Оценка = 5- [1+(VOptimal -VClass A IR)/6]
Если VOptimal ниже VMin R
Оценка = 5- [1+(VMin R - VOptimal)/6]
У нас получилось, что максимальный уровень в эквивалентном классе А равен -14.7 dBV, минимальный уровень -41.1 dBV и необходимый нам уровень -14.6 dBV.
VClassA R оказался ниже VOptimal и соответственно нужную громкость в максимальном качестве не достичь. Что бы звучание было в максимальном качестве, надо уменьшить уровень на 0.11250609819824 дБ. Звук должен стать качественне, но тише желаемого.
Оценка = 5- [1+(-14.556862569934--14.669368668132)/6] = 4
Оценка по шумоизоляции
Оценка по шумоизоляции выставляется в зависимости от внешних условий, и от того нужна ли шумоизоляция для примения данных наушников в этих условиях. Например, для велосипедиста на улице среди машин шумоизоляция противопоказана. В метро, в шумной обстановке, шумоизоляция обязательна.
- Если у наушников есть шумоизоляция и она нужна, то оценка 5.
- Если есть шумоизоляция и она не нужна или наоборот нет шумоизоляции и она нужна, то оценка 1.
- Для наушников с частичной шумоизоляции оценка 3.
В нашем примере наушники close и шумоизоляция нужна, соответственно оценка 5
Итоговая оценка
Из оценок по напряжению и току выбирается наименьшее значение и умножается на два и далее вычисляется среднее значение с добавленной оценкой по акустическому оформлению.
4
Итоговая оценка = (2•4+5)/3 = 4.3
