Сервис online сравнений изменения АЧХ и звукового давления в зависимости от подаваемого напряжения и импеданса источника

Мы запускаем на сайте RAA еще один сервис on-line сравнений изменения АЧХ и звукового давления в зависимости от подаваемого напряжения и импеданса источника.

О появлении сервиса

В сервисе on-line «АЧХ от взаимодействия наушников и усилителя ^[1]» показывается АЧХ относительно 0 дБ в виде конечного результата подобно настройке эквалайзера.

В новом сервисе ^[2] это отображается через АЧХ к абсолютному звуковому давлению в дБ SPL с учетом чувствительности наушников при подаче сигнала с известными напряжением и сопротивлением на выходе усилителя.

Такое построение показывает первопричину изменения АЧХ. Так как сервис задумывался не только познавательным, но и полезным для практического применения, то в него добавлены и дополнительные параметры.

Сейчас, в первом материале о новом сервисе будет в большей степени познавательная теоретическая часть.

Рассмотрим все по порядку.

В основных примерах будут фигурировать наушники Campfire Andromeda ^[3]. Такая честь этой модели выпала за толчок к созданию этого on-line сервиса. Дело в том, что у Andromeda очень низкий и неравномерный импеданс. Эта модель, как бы ее не хвалили, очень противоречива и капризна. И именно через такой новый on-line сервис проще показать ее особенности.

Такое построение графиков в ПО Reference Audio Analyzer было заложено еще в конце 2010 года. Графики были использованы в ряде статей. Мы предполагали, постепенно, сделать доступным построение графиков в сервисе on-line сравнений. Модель Campfire Andromeda дала нам этот толчок.

Из-за чего и как меняются АЧХ у наушников при подключении к усилителю?

Зависимость уровня напряжения от сопротивлений наушников и усилителя

У усилителей на выходе есть выходное сопротивление.

Если оно близко к 0 Ом, то называется «нулевым». Особенностью таких усилителей является неизменная величина напряжения на выходе, независимо от номинала подключенной нагрузки. Т.е, если на выходе усилителя выставили 0 dBV (0 dBV — это напряжение 1 V_RMS в децибелах), то при подключении наушников с сопротивлениями 16, 32, 60, 150 и 600 Ом на наушники поступит именно 0 dBV. (1 V_RMS).

На графике выходного напряжения это выглядит прямой линией. По горизонтали на графике указано сопротивление наушников в Ом и дБ(Ом), а по вертикали напряжение в dBV (где за 0 дБ принято напряжение 1 V_RMS). Напряжение выражается в децибелах (dBV) для простых дальнейших расчетов с чувствительностью наушников.

Если у усилителя выходное сопротивление не нулевое, то при подключении нагрузки уровень напряжения будет снижаться. Причем чем выше будет сопротивление усилителя и/или ниже сопротивление нагрузки (наушников), тем сильнее снизится уровень напряжения. В примере показан усилитель с сопротивлением 300 Ом, который, как и в прошлом примере, без нагрузки дает на выходе 0 dBV. Разница в дБ для напряжения на графике показывает, насколько снизится уровень звукового давления у наушников. При подключении нагрузки (в виде наушников) в 20 Ом мы видим на графике значение -24 dBV. Это значит, что при подключении таких наушников усилитель будет работать тише на 24 дБ! И может получится так, что низкоомные наушники с высокой чувствительностью с таким усилителем могут играть тише, чем высокоомные с низкой чувствительностью.

В сервисе on-line сравнения «мощность и чувствительность ^[4]» можно поэкспериментировать, задавая разные значения «усилителя по параметрам». Примеры по ссылкам: 0 Ом ^[5], 30 Ом ^[6] и 300 Ом ^[7].

В общем случае, сопротивление усилителя можно рассматривать как дополнительное последовательное сопротивление на проводе у наушников. Т.е. можно взять усилитель с нулевым сопротивлением и тонкий провод с сопротивлением в 10 Ом, а можно подключить наушники толстым кабелем с нулевым сопротивлением, но к усилителю с сопротивлением в 10 Ом и результат будет одинаковым.

Итого, если у нас у усилителя сопротивление не нулевое, то уровень напряжения (громкости) будет снижаться при подключении наушников. Если у наушников сопротивление будет постоянно во всей полосе частот, то будет просто снижение уровня сигнала, а АЧХ останется прежней. Иная ситуация будет с наушниками, у которых сопротивление разное в воспроизводимой полосе частот.

Отдельно можно посмотреть на формулы расчета ^[8].

Влияние сопротивлений усилителя и наушников на АЧХ

На графике сопротивления по горизонтали обозначены частоты от 20 до 20000 Гц, а по вертикали сопротивление, шкала логарифмическая. На графике для Campfire Andromeda видно, что в области низких частот сопротивление находится в районе 4 Ом, а в области высоких частот (7-9 кГц) доходит до 30 Ом.

На графике чувствительности показывается АЧХ наушников в виде абсолютного звукового давления, которое получится при воспроизведении синуса с усилителем с нулевым сопротивлением и уровнем напряжения V_RMS.

При таком низком сопротивлении получается очень высокая чувствительность, выше 140 дБ/В SPL. Соответственно, такие наушники способны играть очень громко от тихих источников.

Так же видно, что низкие частоты у Campfire Andromeda на 9 дБ громче, чем высокие и наушники можно было бы назвать басовитыми. Но, далеко не все владельцы Campfire Andromeda согласятся с тем, что наушники действительно громкие и басовитые (и более того, еще с удовольствием упомянут, что графики «врут», а звучание совсем другое — чувствительность обычная, а баса нет). И частично они будут правы.

Перейдем в новый on-line сервис ^[2], в котором мы сможем проследить за изменением АЧХ с учетом чувствительности.

Для построения графика надо выбрать связку из модели наушников и усилителя. По умолчанию для усилителя установлены параметры в виде 0 dBV (1 V_RMS) и 0 Ом. На график добавляется по одной связке за раз. Количество связок будет ограничено только длиной строки URL при формировании POST запроса.

Здесь выбрана пара из наушников Campfire Andromeda и усилителя с заданными параметрами в виде напряжения на выходе 0 dBV ^[9] (1 V_RMS) и выходного сопротивления 0 Ом. Т.е. это исходный общепринятый график чувствительности, как в профессиональном отчете. Так аналогичный график будет и в простом сервисе on-line сравнения АЧХ ^[10] в режиме отображения чувствительности.

Добавим еще пары для Campfire Andromeda с усилителями, которые будут различаться только выходным сопротивлением ^[11].

Мы видим, что чем выше сопротивление усилителей, тем кривая АЧХ сползает вниз, самая нижняя линия получается с усилителем с 600 Ом. При этом, низкие частоты снижаются более заметно, чем высокие частоты и если с усилителем с 0 Ом наушники можно назвать басовитыми, то с усилителем с сопротивлением в 20 Ом они уже нейтральные, уровень низких частот сопоставим с уровнем высоких частот (без учета пика в районе 8 кГц). При дальнейшем увеличении сопротивления усилителя АЧХ не сильно меняется, но проседает по уровню.

Скроем большую часть графиков ^[12], оставив лишь пару АЧХ.

При подключении Campfire Andromeda к усилителям с сопротивлениями 20 и 600 Ом, АЧХ будет едва отличаться, но громкость будет отличаться на 28 дБ. При этом с другими наушниками с более высоким сопротивлением, разница между усилителями будет меньше.

Например с Sennheiser CX 5.00 с сопротивлением около 20 Ом ^[13] в аналогичных условиях разница уже будет в 24 дБ.

Если совместить на одном графике Sennheiser CX 5.00 и Campfire Andromeda, добавив усилители с нулевым сопротивлением и не рассматривая вариант с 600 Ом, то получим следующую картину:

С усилителем с 0 Ом разница в громкости между Campfire Andromeda и Sennheiser CX 5.00 будет составлять 17 дБ, в то время как при подключении к усилителю с 20 Ом – от 6 дБ в низкочастотном диапазоне, до 13 дБ в высокочастотном.

Более контрастная ситуация с Sunrise Dragon Ear Tips Earbuds R130 Close ^[14] (сопротивление наушников 120 Ом)

При подключении к усилителю с сопротивлением в 0 Ом, разница между Campfire Andromeda и Sunrise Dragon Ear Tips Earbuds R130 Close составляет 16 дБ. При подключении к усилителю с сопротивлением 20 Ом разница между наушниками уже всего 3 дБ. А при подключении к усилителю 600 Ом уже низкочувствительные и высокоомные Sunrise Dragon громче на 11 дБ!

Конечно, в реальности усилители с сопротивлением 600 Ом крайне редки, обычно у бестрансформаторных ламповых усилителей сопротивление варьируется от 60 до 150 Ом, а 300 Ом можно встретить у усилителей мощности для колонок с дополнительным гнездом для наушников.

Тем не менее, если отсортировать по базе измерений источники (усилители) по выходному сопротивлению ^[15], то высокое сопротивление есть у смартфона Fly FS504 Cirrus 2 и оно составляет 130 Ом.

С этим смартфоном Campfire Andromeda будет чуть громче, чем HiFiMan RE 400 и тише, чем Sunrise Dragon Ear Tips Earbuds R130 Close. И, конечно же, владелец аналогичного телефона (пусть более дорогого, но с аналогичным сопротивлением на выходе) будет утверждать, что высокая чувствительность у Campfire Andromeda – миф в воспаленном мозгу ^[16] продажников-маркетологов и проплаченных авторов и блоггеров. Так как наушники ”тихие”, кто не согласен, тот наушники видел только на картинке…

Campfire Andromeda и HiFiMan HM901 Balanced Card

Возьмем альтернативный пример, близкий к реальности, а не комедийный с владельцем дорогих наушников и смартфона (к сожалению, в жизни такое не редкость). Например, с Campfire Andromeda и плеером высокого класса HiFiMan HM901 с балансной картой (усилителем). С балансной картой плеер может работать как в обычном режиме, так и в более «громком» балансном режиме.

В балансном режиме ^[17] сопротивление усилителя составляет 11,3 Ом и максимальное напряжение без нагрузки 13,46 dBV. В небалансом режиме ^[18] 0,3 Ом и 7,44 dBV соответственно.

Т.е. в небалансом режиме усилитель тише на 6 дБ – в два раза. Однако из-за более высокого сопротивления в балансном режиме для низкоомных наушников различие в громкости будет меньше, для 16 Ом это составит 1.5 дБ. На графике напряжений хорошо видно, как кривая для балансного режима плавно снижается в области низкоомных нагрузок.

На графике добавлена поправка в -20 дБ по уровню для режима построения «music»

На графике с Campfire Andromeda и усилителями с параметрами от HiFiMan Balanced Card ^[19] мы видим, что в небалансном режиме наушники у нас играют громче в области низких частот на 6 дБ, т.е. в два раза. В области высоких частот в балансном режиме на 3 дБ громче высокие частоты.

Так ли это на самом деле? Не врут ли графики? Благодаря наличию HiFiMan HM901 с балансной картой это было легко проверить – график действительно показал то, что слышно при переключении режимов.

Это было «познавательное» применение on-line сервиса, в следующей части будут рассмотрены варианты с практическим применением.

Автор: Кузнецов Роман

Источник ^[20]