Все новости и обзоры Новости Обзоры и комментарии к отчетам измерений продуктов Упоминания RAA в обзорах F.A.Q.


11-3-2019

Обзор от WikiSound - Как измерить АЧХ наушников (разница между открытыми и закрытыми)

В различных обзорах можно встретить использование графиков с сайта RAA. Порой читатели дополняют обзоры ссылками на графики в комментариях. Чаще всего это используется с целью дополнения основного материала или уточнения субъективных впечатлений автора.

Проект RAA приветствует использование графиков и по возможности поддерживает авторов советами и консультацией.

На WikiSound вышел довольно забавный обзор про измерения. Автора можно похвалить за проявленный энтузиазм с попыткой разобраться в измерениях и разработку своего стенда и методики измерения наушников.

Не хочется останавливаться на коммерческой стороне этого обзора, а разобрать различные тезисы, часть из которых дается без пояснения в виде "угадал/не угадал", которые основаны на очень малой выборке наушников.




Этот обзор мне напомнил мои эксперименты более чем 10-ти летней давности. Тогда информации по измерениям наушников было намного меньше. Приходилось много экспериментировать, выдвигать теории и делать множество проверок на практике.

Развитие нашего ГОСТ 28728 давно прекратило свое развитие и последний описываемый стенд представляет собой железное искусственное ухо. Такой тип стенда сейчас используется преимущественно на заводах. Это хороший "неубиваемый" стенд. Дополнительно, ГОСТ, как основание стандартов для закона, дает больше выжимку выводов и мало исходных причин для этих выводов.

Международный IEC 60268-7 более продвинутый, и он постоянно обновляется.

В IEC 60268-7 рекомендуется вместо железного стенда использовать манекен с ушами, если речь идет об измерении АЧХ, более близкой к психоакустическому восприятию.

Мои первые стенды создавались с нуля лишь по общим идеям, которые описывались в ГОСТ 28278-89 и IEC 60268-7. В стандартах нет допусков на погрешность и это требует делать множество проверок и экспериментов для внутреннего понимания, почему ведущие инженеры пришли к тому или иному решению.

Важный момент, у меня не было возможности сразу купить к примеру Neumann KU 100 и делать измерения по инструкции, не вникая в суть разных погрешностей. А всех несогласных затыкать стоимостью стенда, как это порой делают авторы изданий с наличием дорогого оборудования. При создании своего оборудования надо быть готовым к любым неудобным вопросам. А это требует большой практики.



Опыты с измерениями начались еще в 2007 году. На тот момент у меня было три модели: Technics RP-F880, Fostex T50RP и Sennheiser HD 650.

Стенд был сделан из бокса от DVD дисков. Внутри он мог быть забит носками и демпфирующим поролоном от АС (что на результаты не влияло). Поверхность для прижима наушников была из линолеума, с вставками из поролона. Все в лучших традициях создания стенда "на коленке".

На тот момент мне было очевидно, что прижим наушников сильно влияет на низкочастотный диапазон. Такой бокс с отдельным микрофоном позволял получить естественную посадку.

Этот стенд был лучше, чем простые деревянные плоские стенды с использованием полноразмерного измерительного микрофона и ручным прижимом наушников.



В 2009 году началась более серьезная работа по созданию стендов и уже детального изучения IEC 60268-7 с ГОСТ 28278-89.

Таким образом появился стенд HDM1, у которого были небольшие ушные раковины. Причины выбора такого стенда:
  • Использование ушных раковин рекомендовал более современный стендарт IEC 60268-7. Наверно, ученые всего мира не просто так отказались от плоского стенда и железного уха.
  • Не все наушники используют симметричную конструкцию. Некоторые производители используют смещенный драйвер от центра (например в наушниках Ultrasone) и на плоском стенде нет разницы, как наушники одеты "передом или задом". Где-то специфичные амбушюры не предполагают посадку наушников, где их центр совпадает с расположением ушного канала. Т.е. основной причиной было обеспечить естественную посадку наушников с учетом наличия ушной раковины.
  • Плоский стенд не давал реалистичной картины. Одна из проблем, ушная раковина занимает часть внутреннего объема и без нее в плоском стенде излучатель работает на больший объем, примерно от одной трети до половины необходимого объема. К слову, в стенд "железного уха" специально сделан с объемом 2.5 см, сопоставимым с конхой (внутренней частью ушной раковины), а при тестировании полноразмерных моделей основная платформа находится ниже на 1~1.5 см.
Общественное мнение форумчан сначала в большей степени выступало за использование обычного плоского стенда для возможности сравнения результатов измерений с существующими на различных форумах. Но мне хотелось сделать стенд, который будет давать более реалистичную картину, т.к. плоский стенд нечасто давал удовлетворительный результат.

Позже по обратной связи приходили отзывы, что субъективные впечатления гораздо ближе к измерениям с HDM1, нежели результатов с плоских стендов.

Через HDM1 было протестировано достаточно большое количество полноразмерных и накладных наушников (где-то 200~300) и это позволило придти к пониманию, что форма ушной раковины действительно позволяет получить результат более близкий, чем обычный плоский стенд, но тем не менее погрешность для каждого слушателя будет своя.



Результаты субъективного прослушивания и опыты по совершенствованию стенда показали, что стенд не всегда корректно измеряет низкочастотный диапазон. Для накладных наушников это выражалось в жестких ушных раковинах и сложностью прижима наушников для устранения щелей между амбушюрами и ушной раковиной. Для полноразмерных наушников - жесткостью стенда с излишним демпфированием.

Все наушники разные, каким-то демпфирование стенда не является критичным, например для AKG K 1000 и Sony MDR-MA 900, которые просто не прижимаются к поверхности головы. Другие наушники имеют высокое внутреннее демпфирование и демпфирование стенда на них не влияет.

В пару к HDM1 был добавлен стенд SF1, который обладал мягкой поверхностью, тактильно такой же как на голове человека. Для измеренных наушников в это время приводится две кривые. Предполагалось, что график будет сшиваться, низкочастотный диапазон от SF1, средне и высокочастотный от HDM1.



Модели наушников со значительной разницей от демпфирования



Модели наушников с минимальной разницей от демпфирования

К сожалению, линии не имели четкой частоты, которая была бы оптимальной для сшивки. Плюс опять же, субъективные впечатления показали, что SF1 все же недодемпфирован и бас в ряде моделей наушников получает излишне сильный подъем. Делать усреднение - не вариант, т.к. меняется не только амплитуда, но и смещаются резонансные частоты в области средних и низких частот.

Проба каждого стенда - это ряд опытов с десятком моделей наушников. Как правило, с первыми моделями новый стенд показывает отличные результаты, берется на вооружение, а потом начинают накапливаться модели наушников, которые не подходят для этого стенда. А это уже выяснение причин несовпадения и поиск вариантов улучшения стенда.

Последним поколением на сегодняшний день стал HDM-X со специальными ушными раковинами, которые достаточно мягкие для измерений накладных наушников и обладают оптимальным демпфированием.

Выбор конструкции был сделан следующим образом. На себе в ушах были расположены микрофоны и далее сделано измерение 10-ти наушников, которые дали наиболее сильное расхождение между HDM1 и SF1.

Предполагалось поставить эксперимент с разными поверхностями для получения максимально близких АЧХ с характерной частотой резонанса. Но, новые ушные раковины сразу же подошли без необходимости покрытия стенда дополнительной поверхностью. Этот стенд максимально близко отвечает требованиям и рекомендациям IEC 60268-7.

Основное отличие HDM-X от самого продвинутого стенда на сегодняшний день в виде G.R.A.S. KEMAR Head & Torso, это не модульная конструкция у HDM-X, предполагающая использование микрофонов разного назначения и класса. Промышленные стенды крупных компаний сегодня представляют дорогие "конструкторы" под разные задачи.

Наушники, которые измерены на стендах прошлого поколения (HDM1 и SF1) не участвуют в он-лайн сравнениях c АЧХ и по возможности проходят повторное тестирование на современном стенде. Модели этих наушников доступны отдельным списком.

От этих наушников используется параметр чувствительности и импеданса. Результаты этих наушников наиболее корректны для высокочастотного диапазона. Там, где кривые АЧХ в области низких частот для стендов HDM1 и SF1 близки - те АЧХ максимально близки к возможному результату со стенда HDM-X, т.к. эти модели мало зависят от демпфирования стенда.






Я делал свои стенды самостоятельно методом проб и ошибок. Не от того, что не доверял стандартам. Есть большая разница, сделать что-то по инструкции и не понять, если где-то допустил ошибку, и сделать полным пониманием сути дела.

В конечном итоге пришел к тем же выводам, что и предложены в стандартах. Можно это рассматривать и как "согласился", и как "проверил".


Общие тезисы из видео

О влиянии амбушюр на АЧХ - старые против новых

Да, амбушюры влияют! Но не обязательно совсем новые амбушюры лучше старых. Если амбушюры еще не рассыпаются, а лишь примялись к форме головы слушателя, то исключается риск образования щелей между амбушюром и головой. При наличии щели от совсем новых амбушюр снижается демпфирование (в и ряде наушников увеличивается бас) с последующим утеканием баса в щель!



Потрескавшиеся и облезлые амбушюры теряют бас

Да, в большинстве случаев это так. В базе измерений есть хороший пример с электростатами Koss ESP 950.

Но при этом может быть и другой вариант, когда снижение демпфирование наоборот будет усиливать низкочастотный диапазон и получится промежуточный вариант - верхний бас усилится, а нижний - уйдет.


По клику на график будет переход в онлайн сервис сравнения АЧХ


Велюр ослабляет низкие частоты

Зависит от конструкции амбушюр. Велюр, это не знак равенства тканевым амбушюрам. Например в ASUS ROG Delta Type-C велюровые амбушюры дали чуть больше баса, чем кожаные. Но там не типичный велюр, а некая "гибридная конструкция", в которой поверхность амбушюра остается плотной и для низких частот не прозрачной.

Кстати, амбушюры из натуральной кожи обычно менее долговечные, чем из кожзама (если конечно это не вариант из пленки как в KOSS ESP950 и множества бюджетных моделей)

Некоторые производители используют амбушюры кожаного типа с перфорацией для оптимального баланса демпфирования, и там аналогично может быть снижение баса.


По клику на график будет переход в онлайн сервис сравнения АЧХ

Если прижать наушники, будет "серединистый" звук

В некоторых наушниках действительно "вылезет" середина. За счет большего прижима динамики будут ближе к ушам и поднимется общая громкость. Но за счет увеличения демпфирования могут снизится низкие частоты. В тех наушниках, где демпфирование между наушников и головой не влияет на количество низких частот - там звук просто станет громче.

У некоторых наушников довольно твердые амбушюры. Это некоторые модели бюджетных Axelvox, более дорогие Meze. Там, после прижима наоборот может появится бас, т.к. устраняются все возможные щели.

Meze 99 Classics были измерены в двух вариантах прижимов после баталий на форуме player.ru с выяснением, это басовитые наушники или нет. Как видно, оказались правы все. Владельцы большой или упитанной головы слышали их басовитыми, а остальные недополучали количество баса в соответствии с габаритами своей головы.

Кстати, самое коварное место у худощавых людей для наушников с твердыми амбушюрами - это место за ухом около челюсти. Именно там обычно образуется зазор. И потенциально басовитые наушники теряют свой бас.

И напоследок о щелях - если зимой наушники одевать поверх тряпичной шапки - то большая часть баса утечет через головной убор.


По клику на график будет переход в онлайн сервис сравнения АЧХ

В закрытых наушниках прижим на бас влияет в большей степени

Это индивидуально. Где-то внутри чашки используется настолько сильное демпфирование, что нет никакого влияния от плотности посадки наушников.

Открытые наушники часто имеют множество демпфирующих отверстий на стенке с динамиком и нивелирует зависимость от прижима наушников. А там, где таких отверстий нет, там зависимость от прижима максимальна, т.к. с другой стороны динамика демпфирования нет.

В дорогих закрытых наушниках или открытых наушниках нет окраса звучания

В дорогих наушниках уделяется внимание в первую очередь разборчивости и комфортности звучания, а не АЧХ. Поэтому окрас там есть так же, как и в дешевых моделях. Другое дело, этот "окрас" не оставляет такого негативного впечатления и позволяет быстро адаптироваться к неровностям.

Вообще, из-за предположения, что чем наушники дороже, тем они обязательно во всем лучше часто приводят к сильным разочарованиям. Ведь дорогие наушники порой лучше лишь в определенном параметре, а не во всех. Как гоночный болид из формулы 1 может быстро ездить, но только на гоночной трассе. И первый же дачник обоснованно объяснит, почему запорожец лучше и при этом существенно дешевле, а продавец автомобилей думает лишь о том, как продать более дорогой товар с большей прибылью. И будет совершенно прав.

Привыкание к АЧХ

Да, привыкание имеет место так же, как и адаптация зрения к балансу белого. Более того, к часто используемым моделям это привыкание происходит практически моментально.

А это значит, что можно взять наушники с кривой АЧХ, привыкнуть к ним и при прямом сравнении с аналогично знакомым студийным сверх-ровным монитором эту кривизну упорно не замечать.

Однако не во всех случаях к "кривизне" можно адаптироваться, как это наблюдается с наушниками DT990 и DT770. Эти наушники как восторженно хвалят, так и яростно ругают. Существенный подъем в области высоких частот хорошо подчеркивает нелинейность источника. Если источник не обладает резкими искажениями - наушники воспринимаются комфортно. Но, как только у источника появляются искажения, высокие буквально "выносят мозг". DT880 на их фоне ровнее и воспринимается комфортнее.

Если использовать усилитель с ненулевым сопротивлением, будет провалена середина

В зависимости от кривой импеданса наушников АЧХ будет меняться. У полноразмерных наушников бывает часто выражен низкочастотный резонанс, из-за которого АЧХ меняется в сторону увеличения низких частот и на их фоне кажется, что снизилась середина. Сказать, что снизилась исключительно середина, это не слишком корректно.

В стандартных отчетах приводится измерение АЧХ наушников от усилителей с разным выходным сопротивлением. В отдельных сервисах сравнения можно произвольно выбрать модель наушников и модель источника или модель наушников и задать значение сопротивления усилителя.

Кстати, именно эти зависимости являются инновацией именно от RAA от 2010 года. Ранее все это или не учитывалось, или воспринималось как неизвестная величина, вроде, насколько миллиметров поднимается уровень воды в реке от фазы луны. Вроде известно, что влияние есть, но вот насколько? Кто-то будет утверждать про "намного", кто-то наоборот убеждать про "незаметно".
На примерах можно увидеть, что у некоторых наушников будет относительный подъем баса, у других не изменится ничего. В примерах нет редких наушников, которые обладают более сложно конструкцией и там совсем иначе меняется АЧХ.









Теория об оптимальном расположении микрофона

Отражения волн

На протяжении довольно долгого видео одни и те же процессы называются разными словами и фразами. По этой причине ниже текст не относится к конкретной фразе, а лишь только к общему смыслу такого отображения звука. В чем-то текст ниже будет совпадать с тем, что озвучено на видео, в остальном же даст противоположную картину.

Если не ошибаюсь, еще в школьном учебнике по физике рассказывается о том, что звуковая волна не является аналогом лазерного луча, а ведет себя по образу и подобию распространению волн на поверхности воды. Это значит, что грубое представление в виде прямых линий имеет место лишь для волн, длина которых меньше площади поверхности, от которых они должны отразится.

На частоте 20 кГц длина волны составляет 17 мм. На частоте 10 кГц около 35 мм. На 5 кГц - 70 мм. Вопрос, от какого элемента уха мы получим прямые переотражения по теории "прямого лазерного луча"?

Когда-то мне казалось, что у идеальной АЧХ наушников должен быть обязательный спад ВЧ против АЧХ ровных акустических систем, который компенсировал бы расположение АС под углом 60 градусов. Это отлично вписывается в теорию "прямого лазерного луча", который так любят рисовать в рекламных проспектах.

Но вы видите расчетные значения длин волн и наверно представляете, что все ухо обладает габаритами от 5 до 7 см. Такие волны не отражаются в таком примитивном виде, а более сложно огибают участки ушной раковины.



Второй момент, это расположение динамика у наушников от уха на расстоянии от 1 до 3 см! И в редких случаях на расстоянии до 5 см. В такой камере ни в коем случае не будет отражений "в какую попало сторону". Вместо этого мы получим более сложный процесс.

Есть большая разница между распределением звуковых волн в открытом пространстве и малом закрытом объеме.



Другая особенность несостоятельности "прямого лазерного луча" - мембрана наушников не является идеальной равномерно излучающей поверхностью.

Мы привыкли представлять различные динамики точечными излучателями, но как "точка", они обычно работают лишь на определенном расстоянии, где звуковое поле от излучателя становится равномерным. Попробуйте послушать СЧ динамик вблизи, в области центра будет больше высоких частот, а около подвеса они снизятся. Динамики у наушников обладают хоть и схожей конструкцией, но с другими соотношениями габаритов. Дополнительно перед излучателем ставится защитная решетка. Все это делает намного более сложное звуковое поле с точки зрения его направленности. Через небольшие отверстия в защитной решетке звук выход не прямо, а сферически и образует сложную интерференцию волн.

Внутри замкнутой камеры мы получаем в первую очередь резонансы от внутренней формы всего пространства. На графиках в отчетах это показывают графики ваттерфолов в виде спадающего "эха" на определенных частотах. Именно это является "отражением".



И по этой причине расположение микрофона непосредственно до ушной раковины в малом замкнутом пространстве никаким образом ее воздействие полностью не исключает.

Но есть один нюанс, который делает видимость исключения влияния ушной раковины.

Звук, поступающий в микрофон, состоит из прямого излучения и резонансов/отражений от ушной раковины. Если расположить микрофон максимально близко к мембране динамика наушника, то амплитуда прямого излучения будет выше, чем амплитуда отражений.

Таким образом, предложенный стенд с выносом микрофона на 1.5 см будет получать преимущественно прямое излучение в наушниках с неглубокими амбушюрами, где порой вся глубина порой 1.5 см и является максимальной. Некоторые производители порой располагают динамик под небольшим углом, что формально предполагает более естественное направление звука, но по большому счету это позволяет при неглубоких амбушюрах не прижиматься защитной решеткой к ушной раковине.

Таким образом, если взять наушники вроде Audeze LCD-3 Fazor или Abyss AB1266, и оставить вынос микрофона на 1.5 см, то АЧХ сразу "испортится".

Есть и другая проблема - у большинства наушников защитная решетка представляет собой сложную конструкцию и смещение микрофона на 5 мм в сторону по поверхности уже будет давать совсем другой график в области высоких частот. Где-то микрофон будет перед отверстием в решетке, а где-то перед глухой стенкой.


Другие особенности авторского стенда

Помимо выдвинутого микрофона, стенд предполагает использование тряпичного материала, который по задумке должен гасить все переотражения.

Этот материал по факту делает две функции - снижает объем, аналогично наличию ушной раковины и немного снижает жесткое демпфирование стенда.

Т.е. такой вариант стенда является более удачным вариантом, чем обычный плоский. От железного стенда он как минимум будет уступать по естественному демпфированию, которое там сделано через внутренние камеры.

Прижим рукой даст большой разброс по низкочастотному диапазону.




Как итог по теории лазерных указок и стенда с выдвинутым микрофоном

Для определенных моделей наушников такой стенд может дать близкий результат к субъективному, особенно, если долго и упорно подгонять расположение микрофона и прижим наушников под свои субъективные ощущения. Для остальных моделей это будет чистая рулетка.

Подобный метод измерения АЧХ безусловно имеет право на существование. На мой взгляд такой стенд больше подойдет под измерения при разработке наушников или их моддинге, когда надо выделить какие-либо специфические ососбенности.





Заключительные тезисы

Наличие пика у Beyerdynamic DT 880 Pro

Общий вид высоких частот задается ушной раковиной. Для кого-то в DT880 Pro будет более ровный звук, для кого-то существенный подъем в области высоких частот. Причем, возможно на частотах, смещенных в сторону.

Для кого-то ближе будет результат со стенда HDM-X от RAA, для другого с Head Acoustics HMSII с innerfidelity c наложением HRTF, для третьего с Sonarworks. Кто падок на стоимость стенда - для того с со стенда Kemar от Head-Fi, который сегодня самый дорогой.




В Axelvox HD272 много баса

Почему "не совпало"? Возможные причины:
У Axelvox большие твердые амбушюры. У кого-то посадка будет максимально герметична и баса будет много, у кого-то наоборот. Может быть разное натяжение крепления амбушюр к наушникам.

Плюс Axelvox HD272 измерялись на стенде прошлого поколения, где стенд был более жесткий.

Наушники Axelvox измерялись в 2010 году. Где уверенность, что за 9 лет ли модель не изменилась и сегодня на рынке точно такие же наушники как и были раньше? Причем это модель из категории "дешевый ОЕМ" под маркой Axelvox. На заре появления Axelvox на рынке за ними не было репутации наушников для "бассхедов".

На разном уровне громкости ощущение тонального баланса разное. Если слушать громко наушники, то баса в них будет казаться больше.




Для получения "правильной" АЧХ надо делать много замеров, экспериментируя с посадкой наушников на стенд

Например на innerfidelity делают по четыре измерения для усреднения конечного результата. При тестировании RAA делается одно измерение, а в качестве усреднения предлагается усредненный вариант между правым и левым каналом.

Посадка наушников в большинстве случаев влияет на АЧХ и большой вопрос, усреднения АЧХ приближают к более близкому субъективному графику или наоборот сглаживают все огрехи? Какое должно быть количество усреднений, с каким шагом смещения? Есть ли в этом практический смысл или без учета индивидуальных особенностей конечного слушателя дальше общей картины не продвинуться?

Если же не делать усреднения, то к чему повторные измерения, как из множества АЧХ них выделить "нужный" график?


Полученную линию эквализации надо сверять с референсным источником с прямой АЧХ

Какая бы не получилась конечная АЧХ, из-за индивидуальной формы ушной раковины обязательно потребуется субъективная правка результата.

Вопрос лишь в наличии референсных АС и опыте пользователя, который на слух способен поправить АЧХ.

В материалах F.A.Q. есть описание методики поправки АЧХ наушников через плагин MathAudio Headphone EQ в foobar2000.


Неочевидные расхождения между субъективной и объективной АЧХ

Нелинейные искажения

Субъективно участки с нелинейными искажениями воспринимаются громче, чем они есть на самом деле. Эти искажения могут дать как наушники, так и источник. Соответственно, субъективная АЧХ будет неизбежно отличаться, даже если измерение будет сделано на условно "идеальный" стенд.


Зависимость АЧХ от импедансов наушников и источника

С разными источниками конечная АЧХ меняется и это необходимо учитывать. В RAA есть возможность смотреть АЧХ связок из произвольно выбранных моделей наушников и источников.

Вид отображения возможен только на изменение АЧХ. Таким образом, даже если субъективная АЧХ не слишком точно совпала с объективной, то для себя можно учесть непосредственно разницу от изменения АЧХ.


По клику на график будет переход в онлайн сервис сравнения АЧХ



Идеальный стенд, какой он?

На данный момент ведущие ученые считают наиболее удачным стенд в виде "головы с ушами". Каким будет следующий стенд, который совершит революцию?

Предполагаю что прорыв в измерениях наушников случится, когда будет использоваться аналог плоского стенда со сменным демпфированием и массивом микрофонов для оценки равномерности звукового поля по всей излучаемой площади. После же будет коррекция АЧХ на основе 3D модели уха слушателя и "упитанности" головы.

Пока же можно сосредоточится на сравнительной оценке, сопоставляя звучание знакомых наушников с имеющимся графиком, и оценке слышимой разницы. Для других наушников в прямом сравнении - добавлением своей субъективной коррекции.

Вполне возможно, что в профиль зарегистрированного пользователя будет добавлена возможность добавления такой индивидуальной АЧХ расхождения.