Эксклюзив

Персональный звук, часть 1.

Персональный звук, часть 1.
Персональный звук в формате проигрыватель + наушники из года в год является самым активным сегментом в мире Hi-Fi. Что нужно знать новичку, чтобы приобрести качественный комплект с минимальным слоем маркетинговой мишуры

Принято считать что самый короткий и, относительно, недорогой путь в настоящий Hi-Fi - через портатив. И дело тут не в том что портативная техника зачастую дешевле чем аналогичная по классу стационарная. Во "взрослом" Hi-Fi вы потратите пятизначную сумму в вашей любимой валюте, купите дорогую аппаратуру, акустику и очень разочаруетесь, поставив все это в вашей жилой панельной комнате у одной из стен. Ваша комната 15-20 квадратных метров сразу предоставит вам целый ряд стоячих волн кратных ее геометрическим размерам, в полной мере насладитесь реверберацией, плавно переходящей в натуральное эхо, ну а резонансная частота такого помещения в 40-100 герц напомнит вам о себе незабываемым бубнежем акустики за 10тыс$.

Акустическая подготовка помещения это технически-сложная и дорогая процедура, и зачастую не реализуемая - разве что ваша жена любит на стенах присутствие индустриального звукопоглотителя. В ситуации с портативной техникой и наушниками все сильно проще, плеер, наушники, уши, но как обычно бывает - дьявол скрыт в деталях. В данном случае я буду говорить об прослушивании музыки через портативную технику дома, варианты музыки на бегу, в метро и поезде да и просто на улице - тема не этой статьи и не для этого сайта. 

Я попробую развернуто рассказать о нюансах портативного аудио которые необходимо учитывать если вы хотите приобщиться к миру Hi-Fi и не испытать разочарования. Деталей много, местами буду вспоминать физику, в следующей части попробую, с точки зрения всего изложенного, рассмотреть самые интересные устройства. Поехали!

Компоненты

Классический состав комплекта для портативного высококачественного воспроизведения достаточно очевиден - средство хранения цифрового контента, средство чтения цифрового контента и преобразования в аналоговый сигнал, средство преобразования аналогового сигнала в звуковые колебания. Проще говоря - память или интернет, плеер или телефон, наушники.

Как и в любых сложных последовательных системах - самое слабое звено системы определяет общие характеристики всей системы. В случае с звуковоспроизведением таким слабым звеном является преобразование электрического сигнала в звуковые колебания. При современном развитии электроники уровень искажений вносимых акустическими преобразователями может на 2-3 порядка (100-1000 раз) превышать уровень искажений всех остальных частей тракта вместе взятых, тут правда стоит отметить что характер искажений бывает разный и напрямую сравнивать искажения разных частей тракта не стоит.

В целом можно озвучить первый базовый постулат портативного воспроизведения звука:

При планировании покупки комплекта плеер/наушники ВСЕГДА наиболее целесообразно максимальную часть бюджета выделить на наушники.  Плохой плеер с отличными наушниками не будет у вас "играть хорошо", но он ВСЕГДА будет играть лучше хорошего плеера с плохими наушниками

Выбор наушников это самая ответственная и наиболее сложная часть пути приобщения к Hi-Fi портативу.

Типы наушников, сопротивление

Существует множество классификаций наушников, но 3 самые популярные - по типу излучателей, по типу акустического оформления и по способу размещения на голове.

В настоящий момент в наушниках используются 3 основных способа преобразования электрической энергии в акустическую волну (звук) в порядке уменьшения популярности:

  1. Катушка с током в постоянном магнитном поле - динамические излучатели
  2. Постоянный магнит(якорь) подвешен в переменном магнитном поле - в народе арматурные, от созвучия со словом armature(якорь)
  3. Электрически-заряженная диэлектрическая пленка в электрическом поле - электростатические излучатели

Последний тип "электростатические излучатели" я не буду рассматривать в этой статье, они очень редки и очень дороги, вероятность того что вы с ними столкнетесь в "этой жизни" весьма невысока. Это настоящий эксклюзив с соответствующим ценником.

Динамические излучатели

Динамический излучательДинамические излучатели самые популярные в настоящее время, они обеспечивают хорошее соотношение цена/качество и в большинстве случаев именно с ними вы будете иметь дело в наушниках.

В классическом динамическом излучателе катушка (обычно - алюминиевый провод с омеднением) помещена в зазор мощного редкоземельного магнита и соединена с мембраной. Под действием тока в катушке она перемещается в магнитном зазоре и передает движение мембране, которая и излучает звук. Как это часто и бывает в большинстве случаев - массовая технология имеет некий практически-достижимый потолок развития, связанный с конечными физическими свойствами материалов.

Принято считать что все что можно было выжать из динамических излучателей уже лет 10-20 как доступно в массовых моделях и больших революций тут ждать не приходится. Динамические излучатели с приемлемым качеством работают в широком, и достаточном для нашего уха, диапазоне частот, но имеют врожденную проблему - повышенную "добротность", сравнительно долго продолжают излучать звук при исчезновении полезного сигнала. Дальше я буду часто упоминать слово "добротность" - в физическом смысле, добротность это способность колебательного контура продолжать колебаться даже после прекращения накачивания его энергией. Добротность напрямую связана с резонансом, упругостью, массой. Чем выше добротность тем дольше затухают колебания.

Излучатели с уравновешенным якорем, "арматурные"

Арматурный излучательСледующий тип излучателей "арматурные" не является чем-то принципиально новым, но именно материалы последнего десятилетия позволили излучателям этого типа переступить порог динамических моделей. Конструкция арматурного излучателя сложнее чем у динамического, содержит достаточно тяжелый но подвижный(подвешенный) якорь. Масса якоря с одной стороны позволяет значительно повысить скорость затухания переходных процессов - "добротность" такого излучателя меньше чем у динамического, с другой достаточно снижает диапазон рабочих частот. 

Естественная проблема арматурных излучателей - узкий рабочий диапазон, решается установкой нескольких излучателей, работающих на разные, сравнительно-узких участках полосы через разделительные фильтры, но тем самым еще больше увеличивается не малая цена арматурных наушников. Для того что-бы несколько снизить цену многополосных арматурных наушников применяют "гибридную" схему, когда в корпусе наушника установлен и динамический и арматурный излучатель. Поскольку на низких частотах повышенная добротность динамического излучателя не так заметна на слух то именно применение в НЧ полосе динамического излучателя наиболее целесообразно с точки зрения соотношения цена/качество.

По типу акустического оформления наушники бывают закрытые, открытые и нагруженные. Все эти слова описывают конструкцию обратной части наушника. 

В закрытых наушниках акустические излучатели снаружи закрыты замкнутым объемом, конструкция такого типа с одной стороны защищает людей вокруг вас от ваших музыкальных пристрастий с другой имеет максимальную колебательную добротность, так как динамик "нагружен" на упругий и замкнутый объем воздуха - а как мы выяснили для наушников высокая добротность это плохо. Побочное но очень важное свойство закрытой конструкции - она неплохо изолирует вашу музыку от посторонних внешних звуков

В открытых наушниках, как можно предположить из названия - с обратной стороны объем не замкнут. Фактически излучатель таких наушников одинаково излучает звук что вам в уши что наружу. С одной стороны добротность таких наушников определяется только добротностью излучателей и максимально-низкая, а это очень хорошо, с другой - вместе с музыкой вы слышите и все что происходит вокруг вас.

Нагруженные наушники это попытка совместить лучшее обоих конструкций, в закрытых чашках таких наушников делают специально-рассчитанные отверстия и воздуховоды, тем самым понижается добротность закрытых и увеличивается звукоизоляция в сравнении с открытыми.

Если вы слушаете музыку дома в уединении под коньяк и ваш сосед не умеет держать в руках перфоратор - "открытые" наушники предоставят вам максимально-достижимое, при прочих равных, качество звука. Закрытые или нагруженные наушники более универсальное устройство для повседневного применения.

По способу размещения на голове современные Hi-Fi наушники бывают трех основных типов: вставные, накладные и полноразмерные. Устаревший, четвертый конструктив "вкладыши" я сознательно рассматривать не буду.

Полноразмерные и накладные наушники

Полноразмерные наушники

Накладные наушники и полноразмерные имеют очень сходную конструкцию и обычно, в условиях тишины, имеют сравнимое качество звука - есть удачные модели как одного так и другого типа и выбор сводится к удобству посадки на голове. Различия двух форматов сводится к тому полностью ли наушник закрывает ухо. Для домашнего прослушивания я отдаю предпочтение все-же полноразмерным, они заметно удобнее а сниженная портативность в общем имеет второстепенное значение.

Внутриканальные наушники

Вставные - часто также называются in-ear, вакуумные, внутриканальные. В таких наушниках предусмотрен силиконовый наконечник который теоретически должен заполнить пространство между каналом уха и излучателем. Наушники такого типа практически всегда имеют закрытое акустическое оформление поскольку работают на замкнутый и небольшой объем ушного канала с собственной высокой добротностью. Наушники такого типа, как правило, имеют максимальную звукоизоляцию, поскольку мало того что закрытые "снаружи" так еще и хорошо изолированы со стороны излучателя силиконовой вставкой.

У ваккумных наушников, кроме высокой добротности, есть еще один существенный недостаток - длина волны 10КГц в воздухе при комнатной температуре составляет примерно 3см, сравнимую длину имеет ушной канал от излучателя глубоко-посаженного наушника до барабанной перепонки и всех внутренних изгибов канала, в итоге все замкнутое пространство после наушника заполнено стоячими ВЧ волнами самых разных частот. Также любое перемещение такого наушника даже на 1мм кардинально меняет акустическую картину на ВЧ в самую непредсказуемую сторону.

АЧХ вакуммных наушников в ВЧ области мало того что плохая так еще и практически не подлежит объективному измерению.

АЧХ типичных in-ear наушников в ВЧ-области выглядит  примерно так и это неустранимая особенность конструктива

В 70-80х годах прошлого века появились так называемые планарные излучатели. В планарном излучателе катушка из зазора магнита вынесена на плоскость мембраны. Планарные наушники решают часть второстепенных проблем динамических излучателей но не устраняют главную - добротность такого излучателя все еще высокая хотя и меньше чем у классического. Считается что сложность изготовления планарного излучателя на порядок больше и не всегда сопоставима с получаемыми преимуществами.

Планарный излучатель

Видимо все-же из-за отсутствия явных преимуществ у планарных излучателей, в сочетании с высокой себестоимостью, лидеры рынка не стремятся выпускать продукты на них. На данный момент планарные модели присутствуют только у производителей второго эшелона и амбициозных новичков - Oppo, Audeze, Hifiman а их цена крутится около внушительной тысячи долларов. Если вы пока не готовы расставаться с такой суммой - выбирайте полноразмерные классические динамические либо арматурные вакуумные.

Что же выбрать для максимального качества звука. На текущем этапе рассуждений вроде естественное решение - покупать полноразмерные открытые арматурные наушники и наслаждаться звуком, но к большому сожалению, и тут не все так просто. Существующие арматурные излучатели практически не способны с достаточным уровнем качества развивать большую мощность необходимую для полноразмерных наушников, потому в полноразмерных наушниках индустрия все-же пошла по пути доработки динамических излучателей.

АЧХ

Человек привык оценивать объективные свойства окружающих его объектов в количественном виде, нам просто просто необходимо иметь на руках какие-то "цифры". В случае с наушниками принято говорить про АЧХ(график) и сопротивление как некие объективные метрики, причем про АЧХ принято говорить много а про сопротивление мало. Я попробую дальше показать - почему я считаю такой подход не очень верным.

Что такое АЧХ - простыми словами это способность излучателя воспроизводить частоты слышимого диапазона 20-20000Гц с одинаковым уровнем громкости. Вроде-бы напрашивается самый очевидный и естественный вывод - АЧХ для качественного воспроизведения должна быть прямой линией, среди "адептов ровной АЧХ" принято говорить про "укладываться в допуск +-3дб", но как обычно все несколько сложнее и в реальном мире с физическими ограничениями так не бывает.

В соответствии с законами физики - для хорошего воспроизведения низких частот излучатель должен иметь большие геометрические размеры и максимально-жесткую диафрагму, для хорошего воспроизведения высоких частот - минимальные геометрические размеры и максимально-легкую диафрагму. Наш идеальный излучатель должен иметь одновременно и большие и маленькие размеры, иметь жесткую (например металл) и очень легкую диафрагму(пленка?) - думаю очевидно что все эти требования одновременно недостижимы, нужно чем-то жертвовать.

На сколько критично пожертвовать ровной АЧХ? Дело в том что наше ухо достаточно не линейное, его чувствительность зависит и от частоты и от громкости.


Изображение из википедии - Громкость звука

"Кривые равной громкости", краеугольный камень в вопросе восприятия звука нашим ухом, - показывают что чем меньше громкость (звуковое давление) тем хуже мы слышим низкие и высокие частоты, причем разница слышимости вполне может составлять и 5 и 10дб, а 10дб это в 2 раза громкости.

В таких условиях, нет особого смысла говорить про необходимость идеально-ровной АЧХ во всем диапазоне слышимых частот, в любом случае ваше восприятие отдельных частот вашим ухом в большей степени будет зависеть от громкости на которой вы будете слушать музыку и громкости отдельных тонов разной частоты в общем наборе. Также есть такой дефект у нашего звука как маскирование, но про это лучше в вики почитать. Теперь посмотрим на спектры частот звука источников, характерных для инструментов

Спектры в целом достаточно узкие и сосредоточены в пределах диапазона к которому наше ухо наиболее чувствительно - 100-2000гц, потому для сохранения максимальной "узнаваемости" инструментов именно в этом диапазоне достаточно обеспечить максимальную линейность АЧХ. 

Для примера как выглядят АЧХ популярных (и весьма не дешевых) наушников (слева) и очень дорогих "аудиофильских" - справа



материалы - personalaudio.ru

Видно ровный пологий уровень отдачи в диапазоне 100Гц - 2КГц это, в том числе, то что достигается в обмен на пятикратную разницу в цене этих наушников.

Именно горизонтальная и ровная "полка" 100-2000гц АЧХ, при прочих равных, позволяет воспроизводить музыку с натуральными и реалистичными тембрами

Теперь рассмотрим такую характеристику наушников как сопротивление (импеданс). Подавляющее большинство современных усилителей, в том числе тех которые используются в портативных устройствах - являются усилителями напряжения, излучатель же что динамический что арматурный является преобразователем тока в акустические колебания, чем больше ток протекает через излучатель тем большое акустическое давление (громкость) создает излучатель. Если вспомнить закон Ома то достаточно очевидным кажется факт - чем меньше сопротивление наушников тем больший ток через них протекает и тем большую громкость они развивают.

Важное уточнение - сама по себе громкость выше определенного разумного предела безусловно смысла не имеет, но чем меньшая мощность требуется усилителю для "раскачивания" ваших наушников тем с меньшими искажениями он это делает, такая природа полупроводниковых усилителей.

Сопротивление современных наушников находится в диапазоне 16-250 Ом и в подавляющем большинстве случаев для наушников 250 Ом мощности усилителя вашего новенького модного телефона уже не хватит. Зачем-же делают высокоомные наушники и почему нельзя просто брать самые низкоомные для всех случаев? На этот вопрос нельзя ответить без рассмотрения устройства усилителя, потому вернусь к сопротивлению ниже, как уже думаю понятно - там большое количество нюансов.

Усилитель, режимы и снова про сопротивление

На выходе любого устройства работающего на наушники используется усилитель мощности, в 99% случаев используется полупроводниковый усилитель, при этом не принципиально выполнен он на интегральной микросхеме либо на дискретных элементах. Все усилители мощности объединяет такая универсальная характеристика как "рабочий режим". Режим обозначается латинской буквой, в звукоусиливающей аппаратуре применяются режимы A, B, AB, D и пару патентованных, которые являются развитием указанных базовых.

Я не буду пересказывать википедию и утомлять вас техническими подробностями про рабочий участок вольт-амперной характеристики, рабочую точку и ток покоя. Самое важное что вам нужно знать:

  • режим B самый плохой с точки зрения звука, но обладает высоким КПД а значит потребляет очень не много энергии и бережет аккумулятор;
  • режим А обладает наилучшим качеством звука но его КПД очень низкий и аккумулятор выедается очень быстро;
  • режим АВ является компромиссным,  приемлемое качество с приемлемым КПД. 

Режим D абсолютно не похож не все предыдущие, он разрабатывался для достижения максимального КПД, с сохранением приемлемого качества звука, недостатком такого режима, кроме технической сложности, является также двойное преобразование аналогового сигнала в широтно-импульсно модулированный (ШИМ) и потом ШИМ обратно в аналоговый сигнал но уже большой амплитуды. D-режим не нашел признания в мире Hi-Fi но часто применяется в устройствах где нужно максимальное время работы от аккумуляторов (ультрапортативные плейеры на подобии Ipod Nano), либо недопустимо выделение тепла (мощные активные колонки-мониторы, где усилитель "спрятан" внутри корпуса из дерева, набитой горючим материалом).

В 90% случаев когда вы имеете дело с усилителем звуковой частоты, в том числе, встроенным в телефон или плейер - он работает в AB режиме (еще говорят "классе"). При этом соблюдается некоторая золотая середина между временем работы от аккумуляторов и уровнем искажений при усилении.

АВ класс усиления достаточно условное понятие, степень компромисса между качеством и энергопотреблением определяется такой его ключевой характеристикой как "ток покоя каскада", устанавливая различный ток покоя - можно выводить AB класс как ближе к А так и ближе к В.

В хорошем стационарном оборудовании либо отдельном Hi-Fi усилителе для наушников вполне можно рассчитывать на А класс усиления. Стационарные усилители для наушников это как раз тот случай когда "лишняя" тепловая мощность A класса, из-за общей небольшой мощности усилителя, не является непреодолимой проблемой, но при этом звук такого усилителя вас очень порадует. В носимых же устройствах, с большим потреблением (например всего 10 часов прослушивания при наличии вроде большого аккумулятора) вполне можно рассчитывать на АВ с большим током покоя, в смартфонах же и простейших mp3 плеерах, для экономии энергии ток покоя выводится ближе к классу В и следовательно качество усиления страдает в максимальной степени.

Теперь вернемся к динамическим наушникам и их врожденной повышенной добротности. Любой не идеальный усилитель имеет отличное от нуля внутреннее сопротивление, очень приближенно эквивалентную схему пары усилитель-наушники можно представить следующей схемой (где Zout внутреннее собственное сопротивление самого усилителя)

Согласно принципу электро-магнитного дуализма динамический излучатель кроме того что под действием тока, находясь с магнитном поле производит колебания - эти колебания в том-же магнитном поле производят обратно в линию электро-движущую силу (ЭДС). Эта ЭДС, через выходное сопротивление усилителя, создает ток, противодействующий перемещению катушки - демпфирует ее. Величина этого тока и сила торможения обратно пропорциональны выходному сопротивлению усилителя - чем сопротивление меньше тем ток больше. Явление называется электрическим демпфированием - кардинально снижает добротность системы и определяет способность комплекта усилитель-наушники воспроизводить резкие, импульсные сигналы с минимальными искажениями.

Для количественной оценки этого явления вводится коэффициент демпфирования (damping factor), который определяется как соотношение внутреннего сопротивления усилителя к сопротивлению излучателя.

Стандарт DIN 45000 1975 года, который и подарил нам понятие Hi-Fi, указывает что коэффициент демпфирования должен быть не менее 20. То есть сопротивление наушников должно быть минимум в 20 раз больше внутреннего сопротивления усилителя. На бытовом уровне - комплект с высоким коэффициентом демпфирования характеризуется очень быстрыми и глубокими НЧ и чистыми высокими, при низком коэффициенте демпфирования низкие частоты "бубнят" а высокие "цикают".

А теперь вспомним что я говорил про рекомендуемое сопротивление наушников - вроде как стоит брать наушники с минимальным сопротивлением, но получается чем меньше сопротивление наушников тем меньше коэффициент демпфирования и тем хуже качество звука. Тут снова натыкаемся на необходимость найти некую золотую середину.

Современные массовые микросхемы усилителей обладают внутренним сопротивлением порядка нескольких Ом - десятков Ом, потому по требованию коэффициента демпфирования больше 20 рекомендуемое значение сопротивления наушников получается 50-250 Ом, более же низкоомные наушники требуют более низкомных усилителей. Но как я показал выше - массовые усилители, установленные в телефоны например, не способны отдать в наушники 250Ом достаточную мощность. Потому приходится мириться с плохим звуком и никакие мощные ЦАПы его уже не исправят

Почему же тогда студийные мониторные наушники обычно имеют сопротивление 250Ом и более? Все достаточно просто. Студийное оборудование всегда используется в стационарных условиях, в условиях отсутствия необходимости экономить энергию нет никаких технических сложностей использовать усилитель любой необходимой мощности. При этом, пропорционально увеличению сопротивления наушников, увеличивается пропорционально и коэффициент демпфирования, а значит и импульсные характеристики и качество звука.

Возможны два варианта комплектов для качественного воспроизведения - усилитель небольшой мощности и минимальным собственным сопротивлением и низкоомные наушники, усилитель большой мощности, с практически любым сопротивлением и высокоомными наушниками

На самом деле, ситуация с сопротивлением еще более сложная, динамический и арматурный излучатель это так называемая комплексная нагрузка, катушка с током это по определению индуктивность, а катушка с током перемещающаяся в магнитном поле это еще и переменная индуктивность. В индуктивной нагрузке ток отстает от напряжения и проявляется так называемый эффект вращения фазы.  Повышение активного сопротивления позволяет увеличить долю активного сопротивления по отношению к реактивному и минимизировать вращение фазы. Я очень поверхностно упоминаю про реактивность поскольку эффект с одной стороны очень сложный, с другой никаких конкретных рецептов для потребительского выбора сформулировать скорее всего не получится.

Промежуточные итоги

Я выше попробовал рассказать на что стоит обратить внимание при выборе наушников, затронул аспект усилительного оборудования. 

К счастью органы слуха у человека - самые "не стандартизированные", восприятие звука зависит от множества факторов - как-то возраст, пол, перенесенные заболевания и также эмоциональное состояния. Нет универсального рецепта для выбора наушников но есть некоторый набор объективных факторов, которые стоит знать перед походом в магазин. 

В следующей части я расскажу про цифровые форматы, ЦАПы, разрядность и прочие другие, в целом не сложные, но не совсем очевидные вещи. Если у вас остались вопросы - очень буду рад обсудить в комментариях, присоединяйтесь.

Авторский текст - Стас Довгодько

Метки: Эксклюзив

На эту тему

Наушники / Klipsch

Значительное расширение линейки in-ear наушников Klipsch и новый интересный флагман

Значительное расширение линейки in-ear наушников Klipsch и новый интересный флагман

Известный американский производитель акустики Klipsch полностью обновил целую линейку in-ear наушников X Series, содержащую как динамические модели так и все комбинации с арматурой. Модели сделаны с использованием премиальных материалов и безусловно достойны легендарного бренда

What Hi-Fi? Awards 2015

What Hi-Fi? Awards 2015

В этом году английский журнал выставляет 26 номинаций, 104 лучших продукта получат свои призы, как было последние 32 года