Владимир Рентюк, Запорожье, Украина
В статье кратко рассматриваются типы стереотелефонов, их основные характеристики, методика выбора схем усилителей для стереотелефонов, их важнейшие параметры и практические схемные решения.
Как бы ни были хороши акустические колонки, но головные телефоны для прослушивания музыки всегда будут актуальным аксессуаром. Причина этого не только в их дешевизне и доступности, но и в том, что они позволяют услышать нюансы музыкального произведения в условиях неблагоприятной акустической обстановки. Что имеется ввиду? Во-первых, это часто имеющая место относительная зашумленность окружающего пространства, во-вторых, сложность создания оптимального акустического пространства; если сказать по-простому, – вы не сможете создать в маленькой комнате атмосферу концертного зала. Есть еще и «в-третьих» – используя головные телефоны, вы можете спокойно наслаждаться фугами Баха или виртуозным исполнением гитарных партий Ингви Мальстима во всем их динамическом диапазоне без «комментариев» со стороны жены, тещи, соседей или коллег по работе. Естественно, головные телефоны не заменят полноценной акустической системы, но могут создать достаточно комфортные условия для прослушивания музыки.
Итак, что нам нужно. Во-первых, сами головные телефоны, во-вторых, устройство, которое поможет подключить их к источнику звука, в обиходе такое устройство называют усилителем для головных стереотелефонов. Это не совсем верно, более правильно называть это устройство адаптером, но сохраним уже принятую терминологию.
Чтобы сделать правильный и осознанный выбор кратко разберемся с основным – что такое стереотелефоны и что такое музыка. Начнем с первого. Стереотелефоны бывают разных видов, как по внешнему исполнению, так и по конструкции излучателя. Как бы ни старались маркетинговые службы, но миниатюрные, вставляемые в слуховой проход наушники (вкладные или вставные, называемые еще вакуумными), ввиду точечности излучателя никогда не будут идеальным вариантом при прослушивании музыкальных произведений для человека с маломальски развитым музыкальным слухом. Они подходят непритязательным пользователям для прослушивания музыки в общественном транспорте (из соображений безопасности на улице с интенсивным движением этого лучше не делать). Для прослушивания музыки нужны комфортные накладные наушники, излучатель которых вынесен из ушного прохода. И не просто накладные, а полностью охватывающие всю ушную раковину. Таких наушников по типу конструкции имеется две разновидности – закрытые и открытые. Отличаются они тем, что первые, скажем так, не имеют акустической связи с внешним миром, а вторые – имеют. Оба этих конструктивных типа имеют и достоинства и недостатки – выбирать пользователю. Первые хорошо изолируют слушателя от внешних шумов, но излучатель демпфируется воздухом, находящимся в замкнутом объеме. Наушники открытого типа свободны от демпфирования, но имеют акустическую связь с внешней средой. По опыту автора статьи первые все-таки лучше. По принципу действия излучателя наиболее распространенными в настоящее время являются динамические наушники. Их излучатель сродни миниатюрному динамическому громкоговорителю. Благодаря скачку в технологии изготовления тонких прочных пленок, сильных магнитов и дешевизне они вытеснили с рынка изодинамические наушники, которые, по мнению автора, были более близки к идеальным. Меломаны со стажем могут вспомнить советские весьма приличные изодинамические наушники «Амфитон» (лучшие из которых – ТДС-15), «Электроника» (Н-28С) и «Эхо» (лучшие – Н16-40С). Доступны по цене и появившиеся на нашем рынке еще в начале 90-х изодинамические наушники компании Kenwood. Типовые конструкции динамических и изодинамических излучателей, используемых в наушниках, показаны на Рисунке 1.
|
|||||
| Рисунок 1. | Типовые конструкции динамических (а) и изодинамических (б) излучателей. | ||||
Общее у них – это мембрана, возбуждаемая катушкой, перемещающейся в магнитном поле. Различие – в конструкциях катушки и системы формирования магнитного поля. Первые по конструкции ближе к электродинамическому микрофону (не громкоговорителю, как ошибочно утверждают в некоторой радиолюбительской литературе; раньше их как раз и мастерили из капсюлей микрофонов типа МД-200). У вторых мембрана с плоской катушкой (она выполнена непосредственно на материале мембраны) помещена в поле между двумя дисковыми пластинами, магнитное поле которых сформировано множество элементарных магнитов. Иногда это U-образные элементарные магниты с полюсами, направленными в одну сторону. Ошибочно такие пластины можно принять за «однополюсные» магниты, так как они притягивают ферромагнетики только с одной стороны. Звуковые колебания от мембраны проходят через перфорацию в пластинах. Благодаря большой площади мембраны их звучание на слух мягче и чище.
Имеется еще несколько разновидностей стереотелефонов, например, электростатические и электретные, но они требуют совершенно иных подходов к подаче сигнала возбуждения. Есть даже квадрофонические телефоны. Более подробно о типах и особенностях различных типов стереотелефонов можно прочитать, например, на сайте [1].
Что, кроме типа, нужно для правильного выбора усилителя для стереотелефонов? Это их основные электрических характеристики, а именно: диапазон рабочих частот, чувствительность и импеданс. Хотелось бы иметь еще и уточняющие характеристики, например, коэффициент нелинейных искажений, неравномерность звукового давления в полосе воспроизводимых частот и, вместо сопротивления (его активной части), иметь импеданс на определенной частоте, а лучше значение индуктивности. К сожалению, для большинства моделей такие данные недоступны. Мало того, имеется еще и путаница, как в параметрах, так и в их представлении. Так в русскоязычных спецификациях часто указано, что это именно сопротивление, а англоязычных спецификациях на тоже изделие указывается, что это – импеданс, то есть полное сопротивление, но без указания, на какой частоте он измерен. Чувствительность может быть представлена в разных единицах: дБ/1 кГц (dB/1 kHz), дБ/мВт (dB/mW) или дБ/В (dB/V). Встречается также и dBSPL (SPL - sound pressure level – уровень звукового давления).
Почему все это так важно для проектировщика? Чувствительность определяет необходимую величину подводимой мощности для получения заданного звукового давления, по-простому – получения необходимого уровня громкости. Сопротивление, а вернее импеданс, необходимо для оптимального согласования выходного сопротивления усилителя с сопротивлением стереотелефонов и уровня подаваемого на них напряжения. Амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) необходимо знать не только для правильной оценки качества стереотелефонов, но и для решения вопроса о том, вводить ли частотную коррекцию в усилитель, и какую именно, или нет. То, что в спецификации оказывается диапазон частот 20 Гц – 20 кГц, или даже 5 Гц – 28 кГц, не должно вводить вас в заблуждение. Это очередное маркетинговое лукавство. Примеры раскрытия этих «АЧХ» можно посмотреть, например, в материале, приведенном на сайте [2]. Одна из характеристик показана на Рисунке 2.
 |
|
| Рисунок 2. | Амплитудно-частотная характеристика профессиональных наушников Audio-Technica ATH-A700 [2]. |
Наушники Audio-Technica ATH-A700 позиционируются как профессиональные для мониторов; полоса частот по спецификации 5 Гц – 35 кГц. Вы видите этот диапазон на экспериментально снятой АЧХ (Рисунок 2)? Я – нет. И обратите внимание на неравномерность. Но не все так страшно. Наше счастье в том, что мы будем слушать не испытательный чистый синусоидальный сигнал, а музыку. Наше ухо и мозг – это своеобразный сложный механизм из чувствительного широкополосного микрофона и суперкомпьютера, который, благодаря использованию «встроенных» мощных корреляционных функций, может не только частично компенсировать отклонения в динамическом спектре музыкального сигнала, но и восстановить утраченные составляющие. Однако об особенностях музыкального сигнала позже.
Понятно, что без корректировки частотной характеристики не обойтись, но автор статьи не сторонник введения частотной коррекции непосредственно в усилитель для стереотелефонов, это может привести к нежелательным последствиям. Лучше делать корректировку АЧХ эквалайзером или, по крайней мере, хорошим темброблоком. Такой подход более гибок, так как позволяет компенсировать всю совокупность частотных искажений в тракте, включая компенсацию частотных искажений фонограммы и компенсацию дефектов слуха конкретного слушателя. Последнее не маловажно, так как после 35 лет слух у большинства людей падает. Причина в снижении подвижности слуховых косточек. Еще один аргумент – это то, что наше ухо имеет нелинейную АЧХ, причем эта характеристика зависит еще и от уровня громкости. В случае с наушниками более приемлемы кривые равной слышимости Фетчера-Мансона, а для акустических систем – кривые Робинсона-Датсона, которые легли в основу стандарта ISO 226 (Рисунок 3). Как видим даже здесь есть различия.
 |
|
| Рисунок 3. | Кривые равной слышимости для стереотелефонов (голубые) и для акустических систем (красные). |
Теперь немного о музыке. Что такое музыка? Кроме таланта и души композитора и исполнителя, это совокупность гармонических сигналов (наполнение) с определенной модуляцией по частоте (фазе) с изменением по амплитуде и времени (огибающая). Можно вспомнить слова Сальери из известной трагедии А.С. Пушкина: «Поверил я алгеброй гармонию». Действительно, в общем случае музыка – это сплошная математика. Более подробно о формировании (синтезе) музыкальных тембров можно прочитать в серии статей опубликованных в [3]. Остановимся на главном: музыкальный сигнал – не синусоида. Близкими к синусоидальному сигналу являются только свист и звук таких инструментов, как флейта пикколо, флейта Пана и одиночные трубы классического органа. Модуляция, как сказано, в музыкальном сигнале может быть амплитудная, фазовая и частотная. Огибающая музыкального сигнала – это функция, описывающая изменение звучания ноты или аккорда во времени от момента возбуждения до ее полного затухания. При этом тембр звучания может изменяться и дополняться не только гармониками, но и, например, шумом. Кстати, характер огибающей является более характерной чертой для идентификации инструмента, чем ее тембровое заполнение.
О чем все это говорит? О том, что при проектировании кроме учета реакции усилителя на чистый гармонический сигнал (синусоиду) на некотором уровне, необходимо учитывать реакцию усилителя на сумму гармонических сигналов. То есть, учитывать и возможные интермодуляционные искажения (для телефонов этот параметр изготовители вообще опускают, хотя для акустических систем он нормируется ГОСТом). Кроме того, нужно учитывать реакцию усилителя на сигналы с крутыми фронтами, и обеспечить минимальный уровень нелинейных искажений как можно в более широком динамическом и частотном диапазоне. Действительно, усилитель при воздействии сигнала с высокой скоростью изменения должен давать чистую от гармоник ответную реакцию. И что толку иметь минимальные нелинейные искажения на больших уровнях сигнала (форте и форте-фортиссимо) и иметь при этом высокий уровень искажений при малых сигналах (пиано и пиано-пианиссимо). Поясню. В реальных музыкальных сигналах большой мощности уровень высоких гармоник, как правило, велик сам по себе, и «лишние» гармоники, внесенные усилителем, маскируются. А вот у тихих музыкальных сигналов спектральный состав беден, такие сигналы приближаются к чисто гармоническому виду, и здесь маскирования уже не происходит, наоборот, «лишние» гармоники становятся раздражающими. Можно возразить, что спектральная чувствительность уха при малых уровнях звукового давления сужается. Да, это правда, но не на столько, чтобы не заметить эти призвуки. Конечно, усилитель на максимальных сигналах не должен «затыкаться» и ограничивать сигнал. В качественном усилителе должен быть достаточно малым уровень нелинейных искажений и отсутствовать их заметная зависимость от уровня сигнала во всем динамическом диапазоне. Ну и не следует забывать про минимизацию интермодуляционных искажений, то есть, про необходимость иметь высокую линейность тракта, и тем самым максимально исключить возможность возникновения дополнительных комбинационных составляющих. Для этого передаточная характеристика усилителя должен быть как можно более линейной. В [3] показано, как из отдельных гармонических составляющих высоких порядков возникает реально отсутствующая в исходном спектре гармоника первого порядка. Таким образом, наша основная задача – максимально сохранить спектральную характеристику музыкального сигнала. Еще один нюанс, связанный с особенностями музыкального сигнала, будет рассмотрен ниже.
Зная основные тонкости, можно приступить к выбору оптимального схемного решения. Первое, что нужно определить – это какой уровень напряжения нужно подать для получения номинального звукового давления, а, следовательно, и громкости для выбранного типа наушника. Воспользуемся для этого разъяснениями, приведенными на сайте [4]. В спецификации на наушник мы наиболее часто можем увидеть параметр чувствительность в единицах dB/mW, dB/1 kHz или dB/Vrms. Если в спецификации указана чувствительность в dB/Vrms, то она приведена к напряжению 1 В (среднеквадратичного значения). А вот для наушников с чувствительность в dB/1 kHz – приходится просто гадать, что это – по напряжению, или по мощности на частоте 1 кГц. Но обычно это относится к чувствительности по напряжению.
Итак, если мы имеем в спецификации чувствительность в dB/1 kHz равную 106±2, то можно утверждать, что подав на наушник напряжение со среднеквадратичным значением в 1 В, мы получим звуковое давление в диапазоне средних звуковых частот на уровне 106 дБ. Если мы будем подавать иной уровень, то пользуемся формулой из [4]:
 |
(1), |
где:
SPL(dB/V) – чувствительность наушников, отнесенная к напряжению;
U – напряжение на выходе усилителя в вольтах.
Если мы хотим получить иной уровень звукового давления, приводим формулу (1) к виду
 |
(2). |
Подставив нужное звуковое давление, например, максимально допустимое для нашего уха 120 дБ, В, мы получим напряжение на выходе усилителя, равное 5 В. Если у нас наушник с чувствительностью 136 dB/V, то по формуле (2) максимальное напряжение на выходе усилителя должно быть ≈160 мВ. Естественно, нужно учитывать выходное сопротивление усилителя, так как это напряжение должно развиваться на соответствующем сопротивлении нагрузки.
Если же чувствительность задана в единицах мощности, то расчет ведется по формуле (3):
 |
(3), |
где:
SPL(dB/mW) – чувствительность наушников, выраженная к мощности;
W– мощность в мВт, реально подаваемая на наушники.
Мощность, как известно, рассчитывается по формуле
где R – сопротивление наушников. Если необходимо перевести чувствительность, заданную в единицах мощности, в чувствительность в единицах по напряжению, то в [4] имеется подходящая формула, необходимо только учитывать размерность единиц, на что прямо не указано.
Изложенное выше является иллюстрацией того, что нельзя бездумно копировать схемы усилителей без учета их выходного сопротивления, динамического диапазона, и без привязки к конкретной модели стереотелефонов. Если так поступить, то вы либо не получите приемлемую громкость, либо получите такой уровень искажений, что о музыке можно будет просто забыть. Как видно из вышеприведенного примера, уровни выходного напряжения усилителей для стереотелефонов с чувствительностью 106 dB/V и 136 dB/V для достижения звукового давления в 120 дБ различаются в 31 раз (5 : 0.160)! Здесь кроется еще один нюанс. Несомненно, хорошо, если выполнены требования обеспечения звукового давления по среднеквадратичному значению напряжения, но мы-то говорим о музыке. Музыкальный сигнал, кроме спектральных и временных характеристик, имеет такую характеристику, как пик-фактор (crest factor в англоязычной технической литературе), то есть, отношение максимального (пикового) значения уровня сигнала к его среднеквадратичному значению. Типовой пик-фактор для обработанной фонограммы из-за влияния компрессии (об этом см. [12]) равен приблизительно 4-8 (соответствует 12-18 дБ), и 8-10 для необработанной фонограммы (соответствует 18-20 дБ). А вот для симфонической музыки в исполнении полного оркестра из 75 инструментов пик-фактор может достигать и 25 дБ. Как видим, при проектировании или выборе усилителя для качественного воспроизведения музыки мы должны предусмотреть запас по динамике не менее чем в 20 дБ (10 раз) от среднеквадратичного уровня.
Литература:
- genon.ru
- Выбираем high-end наушники: тест 13 моделей
- Рентюк В. Синтез музыкальных тембров, Радиоаматор, №10, 11 2011, №1, 3-5 2012
- Чувствительность наушников
- personalaudio.ru
