Таблица анализа и рекомендаций совместимости усилителя с наушниками

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.

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).

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.

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

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

Получив значение оптимального уровня, определяем необходимые мощностные характеристики источника под оптимальный уровень:
V_Optimal = Optimal - Sensitivity 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:
V_Optimal = 116 - 130.556862569934 = -14.6 dBV

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 ^V_Max/20•R_HP/(R_AMP + R_HP))

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.

V_{Max R} = 20•Log10(10^-4.8/20•16.2/(0.7 + 16.2)) = -5.1 dBV

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

Для Xiaomi Redmi Note 4X PowerAmp:

V_{Min R} = -5.1 - 36 = -41.1 dBV

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 ^{V_{Class A}/20}•R_HP/(R_AMP + R_HP))
По току:
V_{Class A IR} = 20•Log10(10^{(I_{Class A}+dB_music)/20})•R_HP/1000)

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.

V_{Class A R} = 20•Log10(10^-4.8/20•16.2/(0.7 + 16.2)) = -5.1 dBV

V_{Class A IR} = 20•Log10(10^{(9.2+dB_music)/20}•16.2/1000) = -14.7 dBV

Если V_Optimal попадает в диапазон между V_{Class A R} и V_{Min 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 V_Optimal не попадает в диапазон V_{Class A R} и V_{Min R}, то оценка уменьшается на 1 каждые 6 дБ. Минимальной оценкой является 1.

Если V_{Class A R} ниже V_Optimal
Оценка = 5- [1+(V_Optimal - V_{Class A R})/6]

Если V_Optimal ниже V_{Min R}
Оценка = 5- [1+(V_{Min R} - V_Optimal)/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.

V_Optimalпопал в диапазон значений, при этом остался запас на повышение громкости в 9.4161760031331 дБ и понижения в 26.583823996867 дБ.

Оценка = 5

Если V_Optimal попадает в диапазон между V_{Class A IR} и V_{Min 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 V_Optimal не попадает в диапазон V_{Class A IR} и V_{Min R}, то оценка уменьшается на 1 каждые 6 дБ. Минимальной оценкой является 1.

Если V_{Class A IR} ниже V_Optimal
Оценка = 5- [1+(V_Optimal -V_{Class A IR})/6]

Если V_Optimal ниже V_{Min R}
Оценка = 5- [1+(V_{Min R} - V_Optimal)/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.

V_{ClassA R} оказался ниже V_Optimal 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 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

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