Импеданс наушников. Толкование

Пролог

Наушники обычно имеют импеданс в диапазоне от 16 до 600 Ом (а некоторые — и больший). Так какое же значение импеданса наушников является наилучшим? Ответ во многом зависит от того, куда вы собираетесь их подключать.

Какой лучше?

Лучше ли наушники с низким импедансом, чем с более высоким? Каково оптимальное значение импеданса? Вот несколько важных рекомендаций (хотя и в несколько упрощенном виде):

• Если вы ищете наушники для использования с портативным плеером или ноутбуком, следует отдать предпочтение наушникам с импедансом 16 — 32 Ом и чувствительностью хотя бы 100 дБ/мВт. Существуют также наушники с большим импедансом, вплоть до 80 Ом, достаточно чувствительные, чтобы работать с некоторыми портативными устройствами, особенно если вам не требуется слишком высокая громкость. Но фактически, чем меньше импеданс, тем лучше совместимость с устройствами, работающими от батарей.
• Если вы не знаете выходной импеданс устройства-источника, лучше воздержаться от использования арматурных наушников, так как они могут нежелательным образом взаимодействовать с высоким выходным импедансом, что приведет к откровенно плохому звучанию.
• Если ваш источник соответствует Европейским нормам максимальной громкости (им соответствуют многие современные телефоны, даже продаваемые за пределами Европы), тем более важно выбрать наушники с импедансом 16 Ом и чувствительностью 100 или более дБ/мВт. Совместимые с Европейскими нормами устройства имеют меньший уровень выходного сигнала, чем большая часть других портативных устройств.
• Если вы используете специальный усилитель для наушников или ЦАП, ознакомьтесь с их спецификациями или инструкциями, чтобы узнать диапазон рекомендуемых значений импеданса наушников.
• Если вы смотрите в сторону наушников с чувствительностью мене 100 дБ/мВт, ознакомьтесь с хотя бы пятью первыми абзацами этой статьи.

Различный импеданс наушников

Импеданс практически всех непрофессиональных акустических динамиков лежит в диапазоне 4 — 8 Ом. Это упрощает работу разработчикам усилителей, ресиверов, etc., т.к. они практически в точности знают, каким будет импеданс нагрузки. Но с наушниками дела обстоят несколько иначе. Существует несколько стандартов, потому импеданс изменяется в широких пределах, в зависимости от разработчика, а также в зависимости от устройств, для которых разрабатываются эти наушники: портативные устройства, бытовые, студийное/профессиональное оборудование. Диапазон — от 16 до 600 (в 40 раз больше) Ом. Это является причиной значительного количества проблем совместимости.

Почему импеданс важен

Источники предназначенные для наушников, в большинстве своём, дают совершенно разные значения мощности с различными импедансами наушников. Например, портативный плеер Clip+ может обеспечить 16 мВт для 16 Ом и всего лишь 0.8 мВт для 300 Ом. FiiO E7 может выдать более 100 мВт на 16 Ом, но всего 2.8 мВт на 600. Некоторые источники — например, Mini3, FiiO E9 — вообще несовместимы с низкоомной нагрузкой.

Достаточная громкость

Большинство источников обеспечивает как минимум 5 мВт мощности для 16 Ом. Для наушников с чувствительностью 100 дБ/мВт (рекомендуемый минимум для портатива) это даст 107 dBSPL (звуковое давление), что находится в диапазоне 105 dBSPL – 115 dBSPL, который для большинства людей соответствует достаточному уровню громкости. Смотрите More Power.

Какой импеданс считается высоким?

Я не слышал о каких-либо жестких рамках, но в большинстве случаев 100 Ом и выше определяется как «высокий импеданс». Такие наушники чаще всего не предназначены для портативного использования. Также 32 Ом и ниже можно с уверенностью назвать «низким импедансом», такие значения подходят для применения где угодно. Таким образом остается неопределенный участок между 32 и 100 Ом, в котором пригодность наушников для тех или иных целей определяют другие факторы.

Внутриканальные наушники с уравновешенным якорем

Многие внутриканальные мониторы класса high-end используют технологию уравновешенного якоря. Примерами являются в том числе внутриканальные модели от Shure, Etymotic, Ultimate Ears, etc. Эти наушники обычно имеют импеданс между 16 и 32 Ом, но их фактический импеданс в значительной степени зависит от частоты. 21-омные Ultimate Ears SuperFi 5, например, меняют свой импеданс от 10 до 90 Ом. Подобные отклонения импеданса часто приводят к нежелательному взаимодействию с выходным импедансом источника.

Почему импеданс наушников так сильно варьируется?

Для этого есть множество причин:

• Исторически сложившиеся предпочтения — До появления первых хорошо звучащих портативных устройств большинство высококачественных наушников подключалось либо к домашней стереосистеме, либо к профессиональному студийному оборудованию. По причинам простоты и дешевизны в 60-х — 80-х такие устройства имели высокий выходной импеданс. В них просто использовались большие сопротивления, чтобы создавать падение напряжения с выходов на колонки (так к этим выходам можно было подключать наушники).
• Устаревший стандарт 1996-го — В 1996 был введен стандарт на выход под наушники — 120 Ом — очевидно, больше, чем было бы удобно для разработчиков соответствующего оборудования. Впоследствии Stereophile выразил своё мнение о данном стандарте: «Кто бы это не придумал, он явно живет в мире грез». Низкий выходной импеданс даёт множество преимуществ, но необдуманный стандарт всё еще продолжает оказывать влияние на разработку высокоомных наушников.
• Высокий импеданс приветствуется для high-end наушников — В данном случае может быть несколько весомых аргументов в пользу высокого импеданса наушников. Высокий импеданс позволяет использовать большее количество витков в звуковой катушке динамика. Это может повысить эффективность подвижной системы и уменьшить количество необходимых компромиссов, улучшая звучание в целом. Также высокоомным наушникам для раскачки требуется меньший ток, что зачастую приводит к уменьшению различного рода искажений. Высокий импеданс делает звучание наушников менее зависимым от выходного импеданса источников, в т. ч. менее чувствительным к длине трёхпроводного кабеля и качеству коннектора (jack, mini-jack, etc). Практически всегда усилители дают меньше искажений на наушниках с более высоким импедансом.
• Революция iPod способствует снижению импеданса — На 2009 год было продано более 200 миллионов iPod'ов. До iPod были другие портативные устройства. Можно даже сказать, что с учетом музыкальных мобильных телефонов мы имеем более одного миллиарда используемых портативных устройств. Это важно, так как устройства работающие от батарей не могут нормально работать с высокоомными наушниками. Таким образом была форсирована разработка подходящих наушников с низким импедансом. Но это идет вразрез с первыми тремя пунктами; таким образом мы имеем преимущества для high-end и пережитки прошлого против огромного маркетингового потенциала миллиарда портативных устройств.

Какие наушники я могу использовать для своего устройства?

Это главный вопрос, которым задаётся большинство людей. Чтобы ответить на него, необходимо определиться с тремя вещами:

• Требования к мощности — Достаточно ли у источника мощности, чтобы раскачать данную пару наушников до достаточного уровня громкости? Упомянутые выше рекомендации касаемо 100 дБ/мВт скорее всего помогут ответить на данный вопрос. В том случае, если наушники имеют меньшую чувствительность (или она не указана), смотрите статью More Power.
• Выходной импеданс устройства — Узнать его проблематично, так как выходной импеданс большинства устройств неизвестен. Но идея в том, чтобы соблюдать правило 1/8, описанное в статье о выходном импедансе. Если вы умножите импеданс источника на восемь, вы получите минимальный импеданс нагрузки, которую с данным устройством рекомендуется использовать. Усилитель FiiO E9, к примеру, имеет выходной импеданс 10 Ом. Таким образом, если вы хотите быть уверены в максимуме качества, его следует использовать с наушниками имеющими импеданс 80 и выше Ом.
• Искажения источника — Некоторые источники имеют проблемы с низкоомной нагрузкой. Ламповые усилители без выходных трансформаторов, к примеру, дают с низкоомными наушниками значительно больше искажений.

Можно ли по ошибке повредить что-либо?

Использование неподходящих для данного устройства наушников, как правило, не повредит ничему, кроме звука. Однако, некоторые источники способны выдавать на выходе очень большие значения и потому действительно могут повредить высокочувствительные наушники. Но это произойдет лишь в том случае, если вы увеличите уровень громкости далеко за разумные пределы, т. е. скорей всего это может произойти лишь по случайности. Некоторые усилители для наушников имеют переключатель уровня усиления, чтобы предотвратить подобные случаи.

Когда возникает необходимость в усилителе для наушников или в ЦАП?

Если данные конкретные наушники играют недостаточно громко, либо же имеют другие проблемы с имеющимся устройством, скорее всего вам поможет дополнительный усилитель или DAC. Но эти устройства могут явиться причиной новых проблем. Если имеющееся устройство уже обладает достаточно низким выходными импедансом и достаточной выходной мощностью, добавление усилителя приведет скорее к ухудшению, чем к улучшению. Смотрите Headphone Amps/Dacs Explained.

Напоследок

Лучше всего следовать вышеописанным рекомендациям, если конечно вы не совершенно уверены, что некоторые наушники будут эффективно работать с некоторым устройством.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Напряжение и ток

Чтобы понять, что такое импеданс важно иметь хотя бы общее представление о напряжении и токе. Вольтаж аналогичен давлению воды, в то время как ток является аналогом потока воды (например, галлонов/минуту). Если вы пустите воду из вашего садового шланга без насадки, вы получите большой поток воды и сможете быстро наполнить ею ведро, но давление у края шланга при этом будет практически равно нулю. Если же вы воспользуетесь небольшой насадкой, давление (напряжение) будет значительно большим, но поток воды уменьшится (потребуется больше времени, чтобы наполнить то же ведро). Эти две величины связаны обратной зависимостью. Высокое давление обычно соответствует малому потоку, и наоборот. То же самое справедливо и для напряжения/тока.

Насадки для шланга

Грубо говоря, импеданс аналогичен размеру насадки для шланга. Высокоомные наушники подобны узкой насадке. Чтобы получить больше воды, необходимо более высокое давление (напряжение). Низкоомные же наушники скорее соответствуют случаю наполнения ведра без насадки, требуя больший поток и не слишком высокое давление. Большая часть выходов под наушники хорошо годится либо для первого, либо для второго случая, но не для обоих. Потому важно знать, с чем вы имеете дело, и соответствующим образом подбирать наушники.

Импеданс нагрузки (наушников)

В этой статье говорится о двух различных импедансах — импедансе наушников (обычно легко определяется) и импедансе источника (определить тяжело). Идеальный источник имеет нулевой выходной импеданс. Это значит, что он подаёт одно и то же значение напряжения на любую нагрузку. На практике источники с импедансом ниже 1 Ом считаются «нуль-омными» источниками. Голубая окружность на рисунке ниже (слева) изображает идеальный источник напряжения, голубой резистор в центре — выходной импеданс. Резистор справа соответствует импедансу нагрузки (наушников). Если выходной импеданс не равен нулю, напряжение источника при подключении нагрузки будет уменьшаться. Чем выше выходной импеданс, тем меньшее напряжение подается на нагрузку. Это падение вытекает из формулы: Vн = Vист * (Zн / (Zн + Zист) ). Более подробное разъяснение читайте в статье Википедии Делитель напряжения.

R или Z

Сопротивление измеряется в омах и обозначается буквой R. Оно обычно измеряется с помощью постоянного тока, это именно то, что измеряют цифровые мультиметры. Импеданс является понятием более сложным и измеряется с помощью переменного тока. Правильным является обозначение величины с помощью буквы Z (но кое-кто всё же использует R). Так как музыка — сигнал изменяющийся во времени, т. е. не постоянный, в качестве характеристики наушников выбирается именно импеданс. Импеданс складывается из активного сопротивления (R), а также реактивных емкостного и индуктивного сопротивления. Очень немногие наушники ведут себя как обычные резисторы, большинство же имеют значительную индуктивную составляющую и как минимум небольшую емкостную. Это то, что называют реактивной нагрузкой, и матчасть здесь несколько сложнее, чем простой Закон Ома.

Измерение импеданса

Вы не можете измерить импеданс наушников с помощью цифрового мультиметра (хотя многие тщетно пытаются). Чем больше реактивная составляющая импеданса, тем менее точными будут такие измерения, так как мультиметр измеряет лишь активное сопротивление на постоянном токе — R, не импеданс Z. Сопротивление на постоянном токе практически всегда меньше, чем импеданс на переменном. В то же время измерение импеданса с помощью переменного тока даёт значение лишь для одной конкретной частоты, потому лучше всего построить зависимость импеданса от частоты в виде графика. Для выполнения этой задачи необходимо специальное оборудование, которое может отслеживать одновременно и ток, и напряжение в пределах всей полосы звуковых частот. Лично я использую Prism Sound dScope.

Импеданс может меняться

Теоретически все пассивные наушники (не содержащие какой-либо электроники с собственным питанием) имеют импеданс, изменяющийся в зависимости от частоты. Как было сказано выше, они ведут себя не так, как обычное сопротивление, на которое бы мы подали звуковой сигнал. Кривая окрашенная в золотой цвет на графике ниже отражает импеданс (в омах) внутриканальных наушников Ultimate Ears SuperFi 5 Pro. Вы можете видеть, что импеданс соответствует заявленным 21 Ом лишь на частотах ниже 200 Гц. Он возрастает до 90 Ом примерно к 1200 Гц и падает до 10 Ом к 11 кГц:

Фаза

В то время как импеданс изменяется с частотой, то же самое происходит и с фазой. В данном случае «фаза» — это временной сдвиг между пиковыми значениями напряжения и тока. Чем больше фазовый сдвиг, тем больше реактивная составляющая нагрузки. Как правило, чем больше фазовая задержка, тем труднее управлять нагрузкой. Белая кривая на графике выше изображает фазовую задержку в градусах. Обычный резистор имеет практически нулевую фазовую задержку во всем диапазоне звуковых частот.

Компромиссы при разработке наушников

Динамики колонок или наушников обладают движущейся массой. Диффузор динамика подвешен таким образом, чтоб он мог перемещаться. Жесткость подвески, вес мембраны, а иногда и корпус, в котором всё это размещено, вместе формируют собственную резонансную частоту свободных колебаний. Основной резонанс полноразмерных наушников обычно находится в области низких частот, потому большинству высококачественных динамиков для контроля данного резонанса требуется определенное демпфирование. Если же его не контролировать, это может привести серьезному ухудшению эффективности динамика на НЧ. Импеданс имеет пиковое значение именно на этой резонансной частоте. Вот популярная модель наушников Sennheiser HD280, демонстрирующая выраженный резонанс на 75 Гц:

Что насчет обычных затычек?

Подавляющее большинство динамических (не арматурных) наушников-затычек, имеющих разумную цену, обладают номинальным импедансом 16 или 32 Ом, причем реальные значения отличаются всего на 1-2 Ом. Вот распространенные Sony MDR-EX51, имеющие в большей части диапазона импеданс 17 Ом, с подъемом до 18 Ом на их резонансной частоте 5 кГц:

High-end наушники

А вот 300-омные Sennheiser HD 650, импеданс которых изменяется от 305 до 530 Ом:

Оригинал статьи на английском: Headphone Impedance Explained