Чувствительность наушников

       

Чувствительность наушников
В технических характеристиках мы можем наблюдать такой параметр, как чувствительность наушников, который должен дать нам информацию, о том, как громко будут играть наушники. Однако на деле часто оказывается, что наушники имеющие более низкую цифру играют громче, чем наушники с более высокой цифрой. Почему так?  

Что такое чувствительность наушников

Для начала разберемся, как определяется итоговое звуковое давление и как оно высчитывается из указанной чувствительности наушников.

Конечный уровень звукового давления указывается в дБ SPL. Когда мы подключаем наушники к усилителю, то усилитель отдает определенную силу тока и уровень напряжения на выходе, произведение которых равно мощности. Чем больше мы подадим уровень мощности на наушники, тем громче они будут воспроизводить звук. При увеличении мощности мы увеличиваем как напряжение на выходе, так и силу тока. При этом сила тока зависит от напряжения и величины нагрузки, и все эти параметры полностью взаимосвязаны.

Где посмотреть чувствительность

Если посмотреть внимательно на цифру, обозначающую чувствительность, то увидим, что цифра имеет две разных единицы измерения, к примеру 114 дБ/мВт (dB/mW) или 120 дБ/В (dB/V). В первом случае мы видим чувствительность, выраженную к мощности, а во втором случае – к напряжению. Какая же чувствительность «правильнее»? И как их соотносить между собой?

Чувствительность к мощности дает понять, насколько высокое энергопотребление у наушников, но не дает сравнительной характеристики с другими наушниками, т.к. данная величина сильно зависит от сопротивления наушников, а сопротивления у наушников разные.

Рассмотрим максимально простой вариант. У нас есть усилитель, у которого выходное сопротивление нулевое во всем диапазоне частот. К усилителю мы подключаем разные наушники, о которых нам известны их чувствительности. Наша задача, выявить те модели наушников, которые будут наиболее громкие. У нас будет две группы наушников, к одним нам будут указаны значения чувствительности по отношению к мощности, а к другим к напряжению.

Первая группа - чувствительность к напряжению

Название

А1

Б1

В1

Г1

Д1

Чувствительность к дБ/В

130

125

120

120

135

Сопротивление

16

60

70

15

12


Вторая группа - чувствительность к мощности

Название

А2

Б2

В2

Г2

Д2

Чувствительность к дБ/мВт

114

114

116

118

111

Сопротивление

16

24

32

300

5


Задача сводится к достаточно простым формулам и схеме.

6.png

Данная схема – это базовая схема из уроков школьной физики, где у нас есть источник напряжения (наш усилитель) и нагрузка (наши наушники).

Мы включили усилитель и выставили громкость, повернув регулятор громкости. Взяли вольтметр и измерили напряжение на выходе. Допустим, мы получили 0.33 В.

Для того, что бы посчитать уровень звукового давления у наушника, мы должны воспользоваться формулой:

SPL = SPL(дБ/В) + 20Log10(U), где

SPL(дБ/В) – чувствительность наушников, выраженных к напряжению
U – напряжение на выходе усилителя


Подставив данные для наушников A1 из первой таблицы, мы получим:

130+20Log10(0.33) = 130 – 9.7 дБ = 122 дБ SPL.

Делаем расчет для остальных наушников первой группы. Дополнительно посчитаем, какая мощность подается усилителем на наушники в данном случае.

Расчет мощности считается по формуле:

W=U*U/R, где

U – напряжение на выходе усилителя
R - сопротивление наушников


Для наушников A1 получим:

0.33*0.33/16=0.0068 Вт = 6.8 мВт

Название

А1

Б1

В1

Г1

Д1

Чувствительность к дБ/В

130

125

120

120

135

Сопротивление

16

60

70

15

12

SPL

120,3

115,3

110,3

110,3

125,3

Мощность

6,8

1,8

1,55

7,26

7,26


Обратите внимание, у всех наушников отличия от параметра чувствительности совершенно одинаковы на 9,7 дБ. И самые громкие получились Д1, а самые тихие В1 и Г1. Распределение по громкости точно такое же, как и по значению чувствительности выраженных к напряжению. При этом, сопротивление наушников в данном случае не влияет на громкость.

При этом, хоть у В1 и Г1 одинаковая чувствительность и одинаковая громкость на выходе, на Г1 с усилителя подается больше мощности, т.к. мощность зависит от сопротивления наушников, в то время как уровень напряжения от сопротивления не зависит. Это в свою очередь означает, что при прослушивании В1 и Г1 на равной громкости, батарейка плеера с Г1 сядет  раньше.

Так же сразу можно отметить зависимость, где двукратное изменение напряжения будет равняться 6 дБ. Соответственно, если мы будем кратно изменять напряжение на выходе, то получим следующую зависимость (на примере А1)

Напряжение на выходе

0,25 (1/(2*2))

0,5
(1/2)

1

2
(1*2)

4
(1*2*2)

8
(1*2*2*2)

 

Уровень давления на выходе

118
(130-6-6)

124
(130-6)

130

136
(130+6)

142
(130+6+6)

148
(130+6+6+6)

 


2.png
Как видно, расчет очень простой. И видно, что если мы повернем ручку громкости так, что бы на выходе был ровно 1 В, то на выходе наушников будет значение их чувствительности.

А теперь посчитаем вторую группу. Посчитать можно разными путями. Можно перевести значение чувствительности из мощности в напряжение и сделать расчет уже по известной формуле.

Формула перевода чувствительности из мощности к напряжению:

SPL(дБ/В)=SPL(дБ/мВт)+20Log10(1/(0.001R)^0.5), где

SPL(дБ/мВт) – чувствительность наушников, выраженная к мощности,
R – сопротивление наушников


Итоговая формула звукового давления для наушников:

SPL=SPL(дБ/мВт)++20Log10(1/(0.001R)^0.5)+ 20Log10(U), где

SPL(дБ/мВт) – чувствительность наушников, выраженная к мощности,
R – сопротивление наушников,
U- напряжение на выходе усилителя


Звуковое давление для наушников А2 это будет:

114 - 20Log10(1/(0.001*16)^0.5)+ 20Log10(0.33) = 114+17.95-9,7 = 122,3 дБ

А можно вначале посчитать уровень мощности на выходе усилителя и воспользоваться другой формулой, через изменения отношения мощностей.

Формула мощности:

W=U*U/R, где

U – напряжение на выходе усилителя,
R – сопротивление наушников


Мощность для наушников А2 получается:

W=0,33*0,33/16 = 8,32 мВт

Формула расчета SPL при использовании значений мощности:

SPL= SPL(дБ/мВт)+10Log10(W), где

SPL(дБ/мВт)- чувствительность наушников, выраженных к мощности
W-мощность, подаваемая на наушники


Звуковое давление для наушников A2 будет:

SPL=114+10Log10(8,32)=114 +8.3=122,3 дБ

Как видно, в обоих случаях формула или более громоздкая, или требующие два вычисления, вместо одного.

Заполним таблицу.

Название

А2

Б2

В2

Г2

Д2

Чувствительность к дБ/мВт

114

114

116

118

111

Сопротивление

16

24

32

300

5

SPL

122,3

120,5

121,3

113,5

124,3

Мощность

6,8

4,5

3,4

0,3

21,7


Что же видно из таблицы? Равные по численному значению чувствительности А2 и Б2 совсем не одинаковы по громкости. Более того, численное значение чувствительности у нас самое высокое у Г2, но они самые тихие, в то время как самое низкое число чувствительность у Д2 и они наоборот самые громкие! При этом, значение чувствительности у В2 выше чем у Б2 и примерно так же распределилась и громкость, В2 громче, чем Б2.

В итоге получается, что если не делать подробный расчет, то мы совершенно не можем ориентироваться на чувствительность, выраженную к мощности, как параметру, обозначающему сравнительную громкость наушников между собой.

Почему же мы часто видим указание чувствительности именно к мощности, а не к напряжению? Дело в том, что параметр указания чувствительности к мощности в большей степени показывает КПД (коэффициент полезного действия) наушников, и здесь мы можем увидеть, что при равной чувствительности к напряжению, мы получим более высокое КПД у наушников с высоким сопротивлением. Однако, так как КПД среди наушников находящихся в своем классе находится примерно на одном уровне, то мы наблюдаем обратную зависимость, при равном КПД наушников, более высокая чувствительность к напряжению будет как раз у наушников с низким сопротивлением.

Для примера можно посмотреть на Beyerdynamic DT 770 версий 32 и 600 Ом с одинаковой чувствительностью в 96 дБ/мВт, которая говорит об их одинаковом КПД, но при этом при подключении к усилителю 32-х Ом версия  будет громче, чем 600-от Ом тише при одинаковом положении ручки громкости. (у 32-х Ом будет чувствительность 111 дБ/В а у 600 Ом 98 дБ/В, это разница в 13 дБ).

Если мы для версии 600 Ом выкрутим уровень громкости выше и сравняем уровни по мощности, то тогда наушники заиграют с одинаковой громкостью. Однако у усилителя ограничение по уровню мощности наступает обычно или напряжению, или по току. В случае с 32-омной версией, для того, что бы усилителю обеспечить 1 мВт, надо выдать всего 0.17 В и 0.03 мА. А для 600 Ом, 0.7 В и 0,0017 мА. Наглядно видно, что, что низкоомные наушники требуют больший ток и меньшее напряжение, а высокоомные, наоборот большее напряжение и меньший ток.

Часто, когда идет речь о том, что для высокоомных наушников нужен более мощный усилитель, речь не идет о том, усилитель реально должен выдавать большую мощность, речь идет о том, что усилитель сможет выдать как раз большее напряжение. Однако, когда потребитель слабо подкован в технических нюансах, то нужная мысль доносится порой максимально понятным, хоть и малограмотным способом.

Так как ручкой громкости у усилителя выставляется напряжение на выходе, то логичнее и практичнее  ориентироваться в первую очередь на значения чувствительности к напряжению, особенно, когда речь идет о портативной технике.

Есть ли простая зависимость для пересчета чувствительности из мощности в напряжение?

Да, есть. При увеличении сопротивления в два раза, чувствительность меняется на 3дБ.

Т.е, если у нас наушники с чувствительностью 114 дБ/мВт 16 Ом, то такая же чувствительность по напряжению будет у наушников в 117 дБ/мВт для 32 Ом, и 120 дБ/мВт для 64 Ом.

Чувствительность к 1 мВт

100 дБ/1мВт при 32 Ом = 115 дБ/В

Сопротивление

4
(16/(2*2*2))

8
(16/(2*2))

16
(16/2)

32

64
(32*2)

128
(32*2*2)

256 
(32*2*2*2)

Чувствительность к 1 мВт

91
(100-3-3-3)

94
 (100-3-3)

97
(100-3)

100

103
(100+3)

106
(100+3+3)

109
(100+3+3+3)


Возвращаясь к Beyerdynamic, пересчитаем их разницу в громкости исходя из одинаковой чувствительности к мощности при 32 и 600 Ом.

Соотношение между сопротивлениями можно представить как 32*2*2*2*2*1.17 = 600, где мы видим 4-ре полные двойки, соответственно, разница между чувствительностью составит между 3*4=12 дБ и 3*5=15 дБ.

Перевести на глаз чувствительность из дБ/мВт в дБ/В тоже не проблема, т.к. их разница равна 20Log10(1/(0.001R)^0.5).

Отсюда получаем, что для наушников в 4 Ом, разница составит 24 дБ, а далее, при увеличении сопротивления в два раза, разница будет уменьшаться на 3 дБ. Вам нужно в качестве ориентира запомнить лишь одну пару чисел, 30 дБ к 1 Ом, 0 дБ к 1024 Ом, или 15 дБ к 32 Ом или любое другое.

Сопротивление наушников, Ом

1

2

4

8

16

32

64

128

256

512

1024

2048

4096

Разница в дБ между чувствительностью выраженной к мощности и напряжению

30

27

24

21

18

15

12

9

6

3

0

-3

-6


3.png
Соответственно, если у нас есть чувствительность 96 дБ/мВт на 32 Ом, то это будет 96+15=111 дБ/В, где 15 дБ – искомая разница в таблице для сопротивления в 32 Ом.

Хочется надеяться, что данный материал позволит теперь лучше ориентироваться в технических данных, связанных с чувствительностью наушников.

При этом, в данном материале не разбирались различные нюансы, вроде зависимости чувствительности от частоты или диапазона, методов подсчета и измерений, что влияет на точность интерпретации. Мы это разберем в следующий раз.

Продолжение серии материалов про чувствительность наушников и другие параметры


Автор: 
04.05.2012


Нашли опечатку в тексте? Выделите и нажмите Ctrl+Enter. Это не требует регистрации. Спасибо.

Поделитесь в социальных сетях




Еще интересное для чтения

« Предыдущий материал

Мониторными наушниками профессиональные музыканты называют наушники для мониторинга, а обычные потребители наушники закрытого типа (FAQ).
Комментарии и отзывы (15)


Страницы: Пред. 1 2
Мне нравится0
vitamir
Цитата
romanrex пишет:
 Повторяя расчеты получаем одинаковый результат (за исключением разниц вносимых внутренним сопротивлений усилителя, оно больше 1 дБ)
Если мы оба соблюдаем законы линейной алгебры, у нас все цифры должны совпасть.
Предлагаю Вам пересчитать разницу от влияния внутреннего сопротивления усилителя.

Цитата
romanrex пишет:
Итак, есть два варианта решения - первое, это определение чувствительности к напряжению и сравнению полученных цифр, и ваш вариант - это расчет звукового давления одной из моделей наушников и дальнейший расчет давлений у других наушников по сравнению с отдельно выбранной моделью.
В первом случае мы сравниваем чувствительность в чистом виде, а во втором звуковые давления в условиях для одной из выбранных моделей.
Вы так и не осилили сути моего варианта.
Чувствительность наушников мера звукового давления суть есть.
В моей модели, для определения какие наушники создадут более высокое давление,
достаточно оперировать только параметрами наушников: чувствительностью в дБ/мВт и сопротивлением. Моей модели безразлична мощность усилителя и его выходное сопротивление, если 1дБ считать допустимой погрешностью при такой оценке.
Поэтому, моей модели безразличен тип регулятора уровня напряжения сигнала на выходе, лишь бы он не исполнял при этом других функций. Все расчеты сводятся к определению соотношения между сопротивлениями наушников, переводу его в дБ для отношения мощностей, учету пропорции и собственно сравнению. И не надо переводить дБ/мВт в дБ/В:) Мы просто сравниваем чувствительность в чистом виде с учетом соотношения сопротивлений. И результат получаем для работы наушников с любым источником.
На мой взгляд, доступно любому обывателю с документом о среднем образовании.
Мне нравится0
romanrex
В моем случае, сравнивается только чувствительность, выраженная к напряжению и при условии, что усилитель используется с низким выходным сопротивлением, не нужно делать вообще никаких вычислений или учитывать сопротивление. (низкое сопротивление было дано для того, что бы не усложнять пример. Расчеты без округлений дали 2 дБ, с округлениями получалось ранее 3 дБ)
Наушники с чувствительностью 110 дБ/В дадут больше громкости, чем наушники с чувствительностью 107 дБ/В, независимо от их сопротивления. И когда чувствительность выражена к напряжению, сравнения очень простые и легкие.
В вашем случае, при исходных данных в виде чувствительности к мощности – надо делать вычисления с их сопротивлениями и при этом, в расчетах есть операции с логарифмом, что многим не под силу без инженерного калькулятора. Я привел свой алгоритм вычислений, с переводом чувствительности из мощности в напряжение с последующим сравнением полученных величин, вы сделали сумму из сравнения отношения их сопротивлений и сравнение их чувствительности выраженных к мощности. Оба пути решения базируются на одних и тех же исходных формулах из базового школьного курса физики, но в обоих случаях конечная формула многоэтажная или состоит из нескольких действий с участием логарифмических вычислений.
Основная суть примера – это необходимость вычисления, для того что бы получить искомый ответ. Не производя вычислений, ни Вы, ни я не смогли бы дать один и тот же ответ.
Я знаком с разными мнениями, что более важно для учета согласования усилителя и наушников, кто-то придерживается мнения, что это напряжение, кто-то, что мощность, а кто-то считает, что идеологически надо делать упор только на ток. Каждый может дать цепочку формул или отдельную базовую формулу для подтверждения своей позиции. И уверен, что для подтверждения своей позиции, и Вы сможете привести весомые аргументы.
Моей задачей не является быть приверженцем одной из теорий и считать ее единственно верной. Моей задачей является поиск тех величин и выражений, которые дают четкий и внятный ответ для обычных потребителей и это закладывается в RAA. Потребителю важна не промежуточная величина (какую бы идеологию она не отражала), а конечная величина, которая дает четкий ответ на вопрос, который возникает при выборе наушников.
Надпись на коробке с чувствительностью к мощности ясного ответа не дает, требует логарифмических вычислений. Надпись с чувствительностью к напряжению дает предельно ясный ответ без вычислений. В данном случае я за то, что бы на коробках было указание чувствительности именно к напряжению, т.к. это более внятная цифра для конечного потребителя.
Когда наушники только появились, это были модели с подавляющим сопротивлением или 8 Ом для подключения к колоночному усилителю через делитель, или 600 Ом для подключению к колоночному усилителю напрямик. Усилители в то время в подавляющем большинстве были ламповые, недостатка в напряжении не было, ограничение было только по току. В литературе и стандартах закрепились те единицы измерения, которые были наиболее актуальными на тот момент. Sennheiser к примеру чувствительность для большинства своих современных моделей приводит к напряжению, а не мощности.
Показательным примером может служить любой график АЧХ. Он практически всегда строится к напряжению, и крайне редко к току, и никогда не строится к мощности!  А все потому, что наушники или АС подключенная к усилителю с низким выходным сопротивлением даст график кривой, соответствующий графику SPL к напряжению, а если мы подключим наушники или АС к усилителю с высоким выходным сопротивлением (токовому усилителю), то получим график кривой к АЧХ, построенной SPL к току.
А вот график кривой, соответствующий АЧХ построенной к мощности можно получить только при очень специфических условиях, практически не встречающихся в практике.
Возьмите любые арматурные наушники, и постройте график АЧХ выраженный к мощности, и такую линию вы не получите ни с одним усилителем, т.к. для получения такой АЧХ, нужна очень специфическая кривая выходного сопротивления усилителя.
В итоге, если перед нами есть график АЧХ, построенный к напряжению в абсолютных величинах, мы сразу видим чувствительность, выраженную к напряжению. Все предельно понятно. При стремлении все переводить в мощность, мы из данных, выраженных к напряжению, делаем сложное вычисление, получаем цифру и после даем с ней ознакомится потребителю. Потребитель же должен взять в руки калькулятор, сделать множество вычислений (попутно вспомнив математику и физику) и только после этого получить тот ответ, который можно было сразу увидеть, если бы чувствительность была бы выражена к напряжению.
Стремление к мощности приводит и существенному искажению ряда явлений. К примеру, довольно часто можно встретить устоявшуюся фразу, что для высокоомных наушников необходим мощный усилитель, и по этому к портативной технике необходимо подключать только низкоомные наушники, т.к. усилитель в портативной техники обладает малой мощностью. Смысл фразы – низкоомные наушники играют громко, а высокоомные наушники играют тихо. Вот только мощность то тут совершенно ни при чем! Для того, что бы обе модели DT 770 32 Ом и 600 Ом с одинаковой чувствительность в 96 дБ/мВт играли бы одинаково громко, им нужна одинаковая мощность. Но подключите эти наушники к портативному плееру, и тут же получите результат, что высокоомная модель играет тихо и ей надо «больше мощности», хотя на самом деле не хватает банально напряжения, а не мощности при хорошем запасе по току.
Мощность – это показатель напряжения и тока одновременно, итоговая величина нескольких параметров, но к сожалению в практических задачах требующая сразу ворох дополнительных данных, без которых является зачастую бесполезной цифрой.
В целом, для того, что построить графики мощности, напряжения и тока нужно знать несколько параметров, а с учетом того, что ряд величин спокойно пересчитывается друг в друга, это могут быть разные наборы.
Речь идет о таких графиках
Рисунок
Рисунок
Рисунок

Например
Уровень напряжения без нагрузки, внутреннее сопротивление усилителя и максимальный ток, который усилитель может выдать.
Можно ограничится максимальным значением мощности, частотой, на которой мощность максимальная и величиной внутреннего сопротивления.
Возможно (не проверял) достаточно будет двух значений мощностей на двух сопротивлениях.
В целом, каждый набор данных будет полезен для разных случаев – или получение данных из мануала, где обычно указывают мощность, или от прямого измерения, где фиксируется напряжение под нагрузкой и без. Из полученной практики измерения нескольких десяткой усилителей для наушников, мне ближе первый вариант, но в RAA постараюсь добавить генераторы кривых для разных случаев.
В любом случае, все что касается теоретических выкладок, должно проверятся на практике, что бы не было теорий, которые безупречны идеологически, но бесполезны практически.
Мне нравится0
www.liveinternet.ru/users/sensor_a/
ох сколько букв... скажите по-простому, пожалуйста, хватит ли мощностей Fiio X5 для AKG K701 (следуя из графиков сопротивления акг, их чувствительности и х-к фиио). Слушаю связку, вроде все устраивает. Хотелось бы услышать людей, которые разбираются в физической природе чувствительности (и не склоняются слепо к традиционному мнению).
Заранее благодарю!!!
Мне нравится0
Dante
У AKG невысокое сопротивление (62ом) для плеера класса FIIO X5 и достаточно высокая чувствительность (105дБ). FIIO же по бумагам раскачивает аж от 16 до 300 ом. 300 вряд ли, но 62 вполне. Возможно для мобильных телефонов или "мыльных плееров" эти уши и были бы проблемой, но не в этом случае. Есть еще такое понятие как "раскрыть" наушники, на АЧХ нужно скорее смотреть для того, чтобы понять, какой звуковой почерк у наушников и плеера, чтобы выбрать нужную связку. Что касается AKG K701, то звуковой почерк судя по обзорам у них ровный как у мониторных наушников, поэтому именно в связке с плеером FIIO X5 они должны и раскрыться в должной степени, и раскачаться без проблем.
Мне нравится0
Владислав Сальевич
[URL][/URL] Dante, спасибо!
Страницы: Пред. 1 2

Возврат к списку >>>





Система Orphus

Яндекс.Метрика