[recovery mode] Рекомендуемое сопротивление наушников для усилителя
Для усилителей часто можно увидеть такую характеристику, как «рекомендуемое сопротивление наушников» в виде диапазона сопротивлений.
Производители эту характеристику обычно определяют субъективно, попробовав свой усилитель с разными моделями наушников. Другие ориентируются на характеристики конкурентов и подстраиваются под них, если остальные характеристики похожие. При таком подходе неизбежно появляются продукты, для части которых эта характеристика становится завышенной, а для других заниженной. Какой-либо единой формулы для этой характеристики нет.
Но, как это часто бывает, если многие производители указывают подобную характеристику (аналогично «частотному диапазону» для наушников), то возникает ложное впечатление, что на это есть какой-то стандарт.
Эту характеристику можно вывести и посчитать, если подойти к такой задаче от исходного смысла характеристики и обобщить данные от производителей. Если у производителей эти данные взяты субъективно, то их можно посчитать эмпирическими и сделать некой точкой отсчета. Понимая же алгоритм расчета, всегда можно сделать необходимую поправку.
Определение характеристики
Основная суть характеристики, это определить, с какими наушниками усилитель сможет выдать приемлемый уровень громкости и при этом будет работать качественно (обладать хорошим звуком).
Мы знаем, что для высокоомных наушников основным ограничением является напряжение, а для низкоомных — ток. Так как основная разница в основном указывается для границы высокоомных наушников, нам надо определить, какой уровень звукового давления с точки зрения большинства производителей является приемлемым именно для высокоомных моделей.
В выборку по базе RAA попали продукты, производители которых рекомендуют для наушников с импедансом до 600 Ом.
Модель / максимальный уровень напряжения
ASUS Essence One MK2 16.2 dBV
ASUS Essence 3 Balanced 16.5 dBV
ASUS Essence 3 Unbalance 15.7 dBV
ASUS Xonar Essence STX Hi 16.3 dBV
ASUS STRIX RAID DLX Hi 15.4 dBV
ASUS STRIX RAID PRO Hi 15.4 dBV
ASUS ROG Xonar Phoebus 15.4 dBV
Cary Audio HH-1 18.9 dBV
Creative Sound Blaster X7 LE 15.7 dBV
Creative Sound BlasterX AE-5 14.5 dBV
Creative Sound Blaster E5 14.8 dBV
Erzetich Perfidus 17.0 dBV
Erzetich Bacillus Tilia 18.1 dBV
Musatoff HA-4 14.8 dBV
MyST DAC 1866OCU V. 2 17.6 dBV
OPPO HA-1 16.7 dBV
OPPO HA-1 Balance 24.5 dBV
По ссылке этот же список на выборку в базе измерений RAA, но с дополнительными моделями, т.к. фильтрация производится по брендам.
Из списка видно, что минимальное значение напряжения для 600 Ом равно 14.5 dBV (напряжение уже выражено в децибелах).
У наушников параметр чувствительности выражается как к напряжению, так и к мощности. Первый вариант позволяет сделать вывод о «громкости» наушников без учета их сопротивления, что очень удобно, когда мы сравниваем наушники с разным сопротивлением. Второй вариант показывает их КПД. При этом, если сделать одинаковые наушники, но с разным сопротивлением катушки индуктивности, то их КПД будет одинаковым (одинаковая чувствительность к мощности), но чувствительность к напряжению будет отличаться в зависимости от их соотношений их сопротивлений как 10*Log10(R1/R2).
При вычислении соотношений напряжений в децибелах используется формула 20*Log10(V1/V2), при разнице чувствительности к мощности 10*Log10(R1/R2).
Соотношение сопротивлений 16 Ом/600 Ом равно -15.7 дБ и наушники с сопротивлением в 600 Ом будут на 15.7 дБ тише наушников с сопротивлением 16 Ом, при прочей равной конструкции.
Таким образом, нам надо определить средний уровень чувствительности к мощности среди высокоомных наушников, отсеяв наушники с нестандартной конструкцией.
Т.к. выборка нужна в первую очередь по конструкции наушников у высокоомных моделей, а не строго только высокоомных моделей, то это позволяет сделать выборку по широкому кругу моделей в большем диапазоне сопротивлений и получить более адекватное среднее значение по чувствительности.
По ссылке этот же список, но с дополнительными моделями нестандартной конструкцией или с активным усилением. Ниже данные по наушникам с сопротивлением от 150 Ом.
AKG K 340 ED 91,7 дБ/мВт SPL 398,6 Ом
Beyerdynamic DT 770 Pro 250 Ohm 94,5 дБ/мВт SPL 254,4 Ом
Beyerdynamic DT 880 Pro 95,6 дБ/мВт SPL 252,9 Ом
Beyerdynamic DT 990 Pro 250 Ohm 93,4 дБ/мВт SPL 267,4 Ом
Beyerdynamic DT 150 250 ohm 99,3 дБ/мВт SPL 280,1 Ом
Beyerdynamic DT 250 250 ohm 101 дБ/мВт SPL 268,7 Ом
Beyerdynamic DT 48 E 200 ohm 99,2 дБ/мВт SPL 200,1 Ом
Beyerdynamic DT 660 mk 2 85,6 дБ/мВт SPL 568,6 Ом
Beyerdynamic DT 770 600 ohm 96,6 дБ/мВт SPL 570,8 Ом
Beyerdynamic DT 797 99,5 дБ/мВт SPL 259,4 Ом
Beyerdynamic DT 831 106,2 дБ/мВт SPL 348,2 Ом
Beyerdynamic DT 911 106,5 дБ/мВт SPL 298,6 Ом
Beyerdynamic DT 931 107,3 дБ/мВт SPL 328,2 Ом
Beyerdynamic DT 990 600 ohm 95,4 дБ/мВт SPL 612 Ом
Beyerdynamic T1 99,3 дБ/мВт SPL 819,3 Ом
Beyerdynamic T70 99,6 дБ/мВт SPL 394,2 Ом
Beyerdynamic T90 97,6 дБ/мВт SPL 406,2 Ом
Beyerdynamic DT 250 250 Ohm Mod 103,1 дБ/мВт SPL 238,9 Ом
German Maestro GMP 400 98,2 дБ/мВт SPL 292,8 Ом
German Maestro GMP 435 S 111,9 дБ/мВт SPL 347,4 Ом
German Maestro GMP 450 PRO 105,8 дБ/мВт SPL 301 Ом
German Maestro GMP 8,300 D 99,9 дБ/мВт SPL 303,2 Ом
MB Quart QP 400 98,8 дБ/мВт SPL 292,5 Ом
Sennheiser HD 280–13 103,9 дБ/мВт SPL 405,9 Ом
Sennheiser HD 700 94,4 дБ/мВт SPL 235,1 Ом
Sennheiser PC 350 Xense 101 дБ/мВт SPL 253,9 Ом
Sennheiser HD 600 100,6 дБ/мВт SPL 352,2 Ом
Sennheiser HD 650 100,5 дБ/мВт SPL 344,9 Ом
Sennheiser HD 800 100,1 дБ/мВт SPL 429,4 Ом
Sennheiser HD 800s 101,6 дБ/мВт SPL 442,8 Ом
Среднее значение получилось как 99,6 дБ/мВт. Для 600 Ом это 101.82 дБ/В (Конвертацию можно делать через on-line калькулятор)
Округлим все значения до целых чисел для верхней границы в 600 Ом
- Минимальный уровень напряжения: 14 dBV
- Чувствительность наушников к 600 Ом: 102 dB/V
Рекомендуемый уровень звукового давления получается как: 14 dBV +102 dB/V SPL = 116 дБ SPL
Таким образом, для определения верхней границы нам надо лишь определить, при подключении какой нагрузки усилитель не сможет обеспечить 116 дБ SPL при чувствительности наушников в 100 дБ/мВт SPL.
На первый взгляд выглядит верным и утверждение — в каком диапазоне подключаемых сопротивлений усилитель обеспечит мощность в 16 dBm для наушников с чувствительностью 100 дБ/мВт. (16 dBm — это 40 мВт on-line калькулятор)
Но, второй вариант неверен для расчета нижней границы, т.к. мощность по умолчанию рассчитывается для синуса, а не для музыкального сигнала. Для ограничения по напряжению это несущественно, а для тока необходимо вводить дополнительную поправку на +12 дБ и оперировать «музыкальной» мощностью. Эти тонкости будут рассмотрены в отдельном материале.
116 дБ SPL — это много или мало? На деле, если включить музыку и сделать измерения шумомером, то в реальности вместо расчетных 116 дБ SPL среднее значение будет примерно на 20 дБ ниже. Это связано с тем, что музыкальный трек не является непрерывным шумом на максимальной громкости, а состоит из тихих и громких участков с разной энергетической плотностью. Таким образом, эти 20 дБ являются неким «пик-фактором» и при расчетах для звука от музыки вносятся дополнительной поправкой. Если провести более масштабные исследования, нежели проведенные в лаборатории RAA, то это значение скорректируется в большую или меньшую сторону, но в небольших пределах.
Т.е. расчетное значение 116 дБ SPL, но в реальности это будет музыка со средним уровнем звукового давления в 96 дБ SPL.
Примеры определения диапазона сопротивлений наушников
Визуально на графике максимального напряжения на примере новинки звуковой карты Creative Sound BlasterX AE-5 это будет выглядеть так:
ссылка на интерактивный график для Creative Sound BlasterX AE-5
Пунктирная линия показывает необходимый уровень напряжения для наушников с чувствительностью 100 дБ/мВт для получения звукового давления в 116 дБ SPL.
По оси X показан диапазон нагрузок, здесь для наглядности примера шкала от 0.001 Ом до 2000 Ом. В общих отчетах шкала показывается в более узком диапазоне от 10 до 1000 Ом.
По оси Y — напряжение на выходе усилителя в dBV.
Т.к. у усилителя внутреннее сопротивление 1.1 Ом, то в области низкоомных нагрузок график полого уходит вниз.
Голубой областью обозначена работа усилителя в эквивалентном классе А (наилучший режим, в котором может работать усилитель звуковой карты AE-5). Зеленый режим показывает область работы в эквивалентном режиме класса АБ. Граница перехода в режим Б и максимальный до клиппирования менее 1 дБ и не виден. Верхняя часть серой зоны показывает возможный уровень напряжения без ограничения по току. Об эквивалентных классах на графике.
Нижняя граница
В левой части низкоомных нагрузок мы наблюдаем три точки пересечений.
Серая зона
Пересечение на 0.0007 Ом /-63 дБ (Ом). Какой бы сигнал не воспроизводился, при подключении более низкого сопротивления физически нельзя будет подать напряжении выше необходимого для получения 116 дБ при чувствительности наушников 100 дБ/мВт SPL. Серая зона строится без ограничения по току и в большинстве случаев это означает, что в этой области музыкальны сигнал будет сопровождаться сильными искажениями от клиппирования. Т.е. это тот уровень, где теоретически можно воспроизвести какие-нибудь импульсные сигналы или сфабриковать высокие цифры для мощности в PMPO.
Таким образом, по серой зоне ориентироваться нельзя.
Красная/желтая/зеленая зона
У AE-5 эти зоны совпадают.
Пересечение: 0.17 Ом /-15дБ (Ом). Эта величина нагрузки, ниже которой будет отчетливо слышен хрип из-за недостатка тока. По сути, именно эта граница должна обозначать минимально разрешенную при подключении наушников.
Но тут есть один нюанс. Так как пересечение происходит в зоне ограничения тока (косой скос графика), то это уже подразумевает, что ручка громкости должна быть установлена не на максимум, а для данного случая на уровень -19 дБ (разница между максимумами серой и зеленой зон).
Т.е. что бы мы услышали музыкальный сигнал без хрипа и явных искажений, на выходе усилителя без нагрузки должно быть установлено напряжение равным как 14.5 dBV -19 дБ = -4.5 dBV.
Если же ручка громкости будет установлена на максим, то на нагрузке в 0.17 Ом у нас будет напряжение -3 dBV, и до 0,7 Вт мощности, а на внутреннем сопротивлении усилителя установится напряжение 13,25 dBV и будет рассеиваться до 4,8 Вт (при подсчете мощности, ток считается с поправкой на -12 дБ в виде из-за плотности музыкального сигнала). Да, возможно реальные числа из-за ограничения тока по питанию будут ниже, но лишь дает вероятность, что может выйти из строя уже участок питания.
Тут вопрос, а достаточно ли мощный резистор на выходе усилителя и не будет ли фатальной проблемой случайное выставление максимального уровня громкости? А если на выходе будет воспроизведена не музыка, а технический сигнал в виде синуса или меандра с большой плотностью и соответственно большей мощностью?
Т.е. в теории мы считать можем что угодно, но очевидно, что в реальности в области очень низких значений сопротивления нагрузки мы не можем гарантировать жизнеспособность усилителя.
Из-за этого нижнюю границу хотелось бы, но нельзя определять только по громкости на выходе у наушников.
Голубая зона
Пересечение: 0.35 Ом / — 9 дБ (Ом). Это величина нагрузки, при которой сохранится качественный звук для работы усилителя в эквивалентном классе А. Тут уровень громкости должен быть выставлен как -24 дБ от максимального.
Итог по нижней границе
При определении нижней границы необходимо учитывать два фактора:
- Необходимый уровень громкости при отсутствии искажений
- Возможности усилителя, который не сгорит, если случайно выставить громкость выше необходимого.
Первый вариант можно протестировать и определить, второй чреват выходом из строя усилителя при тестировании.
Разумным вариантом на сегодняшний день будет делать проверку на условно низкое типичное сопротивление для наушников. На сегодняшний день это будет 8 Ом для редких наушников и 16 Ом для массовых.
Для AE-5 будет вывод, то усилитель поддерживает нагрузку в 8 Ом.
С учетом того, что в RAA минимальной нагрузкой при тестировании является 16 Ом, то при поправке на 12 дБ для музыкального сигнала оценку можно делать по нижней границе до 4 Ом.
Верхняя граница
Верхняя граница пересекается для всех зон на 707 Ом / 57 дБ (Ом). Тут «подводных камней» нет и все довольно просто, 600 Ом усилитель AE-5 поддерживает. Выше 700 Ом кому-то не хватит громкости.
Внутриканальные наушники
Возвращаясь к началу, 100 дБ/мВт и 116 дБ было взято для полноразмерных наушников.
Внутриканальные наушники из-за своей конструкции с более легкой мембраной обладают более высокой чувствительностью и соответственно под них диапазон должен считаться не для чувствительности в 100 дБ/мВт, а примерно для 109 дБ/мВт.
Выборка внутриканальных наушников, учет должен быть только динамическим моделям, по ссылке все типы
В противном случае мы получим результат, что подавляющее большинство портативных плееров, смартфонов и планшетов по умолчанию слишком тихие и внутриканальные наушники с сопротивлением в 16 Ом недостаточны. Но на практике обычно внутриканальных наушников по громкости вполне хватает.
Возьмем смартфон Xiaomi Redmi Note 4X, при воспроизведении звука из программного плеера PowerAmp c выводом в Hi-Rez (единственный плеер на сегодняшний момент, способный вывести данные в обход Android 6/7 и тем самым обеспечить наилучшее качество звука в этих ОС).
ссылка на интерактивный график для Xiaomi Redmi Note 4X по 100 дБ/мВт SPL
Если мы будем определять по границе для полноразмерных наушников, то получим, что нижняя граница в 8 Ом укладывается. Но она же и остается верхней границей.
В данном случае это будет абсурдно и том плане, что нижняя граница современных полноразмерных наушников начинается от редких 16 Ом и более распространенных 24 и 32 Ом. 8 Ом обычно встречается лишь среди винтажных наушников, таких как ТДС-7 и множества более древних с бумажными широкополосными динамиками.
ссылка на интерактивный график для Xiaomi Redmi Note 4X по 109 дБ/мВт SPL
Если провести линию для чувствительности 109 дБ/мВт, то видим более адекватную картину. Нижняя граница уверенно укладывается в 8 Ом, а верхняя примерно в 60 Ом.
Субъективно, наушники с сопротивлением в 16 Ом (Sennheiser CX300-II, IE-8) и 32 Ом (Sennheiser CX 980, HiFiMan Re400) c Xiaomi Redmi Note 4X действительно играют с адекватной громкостью и есть небольшой запас по регулировки громкости вверх.
А вот ниже примеры смартфонов, в которых громкости не хватало с Sennheiser IE-8, а было лишь на уровне «не громко».
ссылка на интерактивный график для Fly FS504 Cirrus 2 PowerAmp по 109 дБ/мВт SPL
ссылка на интерактивный график для Lenovo s820 по 109 дБ/мВт SPL
Таким образом, должно определятся два диапазона для используемых наушников: полноразмерных и внутриканальных. Для каких-то источников этот диапазон станет и как «слишком тихий для всех типовых наушников». Данная характеристика вошла в «простые» отчеты усилителей в базе RAA.
