АЧХ наушников (FAQ)

Амплитудно-частотная характеристика – зависимость амплитуды сигнала от частоты (сокращенно АЧХ, на английском - frequency response).

График амплитудно-частотной характеристики показывает баланс громкости частот и чувствительность наушников при его построении в абсолютных величинах. Если мы будем воспроизводить синус конкретной частоты подавая его с уровнем 1 В rms и фиксировать уровень давления на выходе наушника в специальной камере эмулирующей ухо, то перебрав частоты с 20 Гц по 20 кГц – получим исходный график АЧХ к 1 В rms.

Часто наушники измеряют при произвольном уровне громкости, что не дает возможности вычислить чувствительность, но позволяет получить АЧХ относительно произвольно выбранного опорного значения, присуждая 0 дБ значение частоте на 1000 Гц. По такому графику нельзя определить способность «играть громко» у наушников, но можно оценить баланс частот, какой диапазон является доминирующим, а какой наоборот приглушен.

Теория

В идеале АЧХ должна быть прямой для случая, когда источником является акустическая система, вроде компьютерных колонок, колонок домашнего кинотеатра или студийных мониторов. Расположение же наушников относительно наших ушей совершенно другое, они располагаются не под 60 градусов относительно оси уха, а без отклонений под 0 градусов. Попробуйте провести эксперимент, и послушайте АС в условиях равностороннего треугольника и на оси. Звучание будет заметно различаться не только по построению сцены, но и по восприятию различных частотных диапазонов. Все это – влияние строения ушной раковины и слухового канала. Колонки на оси станут «ярче» в области высоких частот и по-другому будут звучать в области средних частот.

Наушники не только находятся на оси, они находятся рядом с ухом, или вообще вставлены в слуховой канал (в случае «затычек»). Все это существенно влияет на восприятие частотного диапазона и для каждого человека - индивидуально

Идеальная АЧХ от АС

Идеальная АЧХ от АС представляет собой прямую линию, обозначающую, что все частоты воспроизводятся одинаково громко.  

Если динамик наушника расположить в ухе у барабанной перепонки, то ровной АЧХ будут восприниматься такие АЧХ, которые соответствуют красной или желтой линии. Именно такая АЧХ наушников субъективно является «прямой». К сожалению, полностью на них ориентироваться нельзя, т.к. у каждого человека свое строение ушей и соответственно получается большой разброс отклонений от «идеала». Другой момент – расположение источников у уха дает другое психологическое восприятие АЧХ, нежели когда проводится прослушивание источников на удаленном расстоянии. В связи с этим, некоторые издания после измерений делают «универсальную» поправку на измеренные АЧХ (поправку на свое измерительное оборудование), но большой пользы от этого как правило нет. В случае с наушниками можно лишь делать общие выводы.

К слову, расположение микрофона в ухе манекена может быть как у места барабанной перепонки, так и у входа в слуховой канал (для измерений полноразмерных и накладных наушников). Что дает более адекватный результат, ученые пока достоверно не определили. В нашей лаборатории используется манекен с расположением микрофона у входа в слуховой канал.

Вторым фактором, снижающим пользу компенсирующей кривой, является разное восприятие АЧХ от уровня громкости. В итоге, для тихого прослушивания провал в области верхних средних и нижних высоких частот должен быть минимален, а для громкого воспроизведения провал должен быть существенным.  

Примеры

Охватывающие наушники

Если на графике наблюдаются провалы в районе 2-5 кГц, то эти наушники могут дать хорошую компенсацию в сторону восприятия ровной частотной характеристики. Спад на высоких частотах компенсирует расположение наушников на оси уха.

Сиреневый – условно идеально ровная АЧХ. Красный график показывает подъем низких частот – такие наушники басовитые. Зеленый – наоборот снижение низких частот, такое звучание ближе к звучанию акустических систем, где существует естественный спад в районе низких частот (в системах без мощного сабвуфера). Оранжевый – наушники с возможными сибилянтами, подчеркивающими звуки «ссс». Голубой – подъем в области высоких частот.

Накладные наушники

В измерениях накладных наушников можно наблюдать спад в районе низких частот. Это может быть вызвано использованием поролоновых амбушюр или неплотным прилеганием к ушам. При возникновении любого воздушного зазора снижается уровень низких частот. Сделать оценку уровня баса в данном случае помогает измерение через специальный плоский стенд, с мягкостью, повторяющей кожный покров человека (в нашем случае Soft Flat Stand - SFS).

Вставные наушники

Вставные наушники вставляются напрямик в слуховой канал, и ровными будут восприниматься те, у которых будут минимальные провалы в области верхних средних и нижних высоких частот, и довольно существенный провал в области высоких частот. Для вставных наушников завал в области высоких частот должен быть еще выше, чем у полноразмерных наушников, т.к. меньше преград, ответственных за естественное снижение высокочастотного диапазона.  

Зеленый и сиреневый график относятся к “ровным АЧХ”, их различие в разном провале уровня верхних средних и нижних высоких частот, где чувствительность уха максимальна. Чем больше будет провал, тем на большей громкости наушники будут восприниматься ровными и наоборот, чем меньше провал, тем на более тихой громкости будет субъективно ровное звучание.

Красный график показывает басовитые наушники, а голубой – яркие в области высоких частот.

Резонансы

На графиках вставных наушников можно видеть пики в области высоких частот, как правило, это резонансы, возникшие в закрытом пространстве звуковода и ушном канале. Частоты резонансов зависят от глубины посадки наушника и формы ушного канала.

У накладных и полноразмерных наушников резонансов гораздо больше, однако они имеют меньшие амплитуды и тем самым отражаются на АЧХ как небольшая неравномерность. У накладных и полноразмерных наушников резонансы образовываются преимущественно переотражениями в ушной раковине и зачастую формируют объемность звучания.

Практика - реальные результаты

Примеры

Ровные АЧХ, признанные в студиях для полноразмерных наушников

Можно наблюдать большую неравномерность в области верхних средних и нижних высоких частот.

Ровные АЧХ, признанные в домашних системах для полноразмерных наушников

Тут АЧХ близка к прямой и жалоб на субъективный подъем диапазона в области 3 от слушателей нет.

Как согласовываются мнения, полученные в студиях и домашних системах, где альтернативой служат акустические системы высокого класса с довольно ровными АЧХ? Дело в том, что в студии наушники слушаются на большой громкости, а дома на невысокой. Исходя из кривых равной громкости, при большей громкости, область в районе 3 кГц воспринимается громче, поэтому при выборе наушников надо учитывать, с какой громкостью они будут слушаться.

Ровная АЧХ для вставных наушников с высокой шумоизоляцией в области низких частот

Благодаря хорошей шумоизоляции, при небольшой громкости наушники могут воспроизвести весь спектр частот и искусственные спады и подъемы на АЧХ не требуются.

Предпочтительная АЧХ для вставных наушников с низкой шумоизоляцией в области низких частот.

В метро и другом транспорте, низкочастотный гул достаточно высок, что бы заглушить низкочастотную составляющую в музыкальной композиции. По этой причине басовитые модели пользуются большей популярностью и воспринимаются ровными. В параметрах порой указывается уровень шумоизоляции, но, как правило, в средне и высокочастотном диапазоне.

Измерения

Для измерений АЧХ наушники одеваются (или вставляются) на специальный стенд с измерительным микрофоном. В нашей лаборатории используются стенды HDM1, SFS и IECS. На наушники подается специальный сигнал, который записывается микрофоном. После записи специализированный софт рассчитывает АЧХ.

Для получения графиков на Personal Audio используется ARTA с использованием теста с периодическим шумом (для наушников). Полученная АЧХ в ARTA экспортируется в текстовом формате, после чего импортируется в RAA. В RAA проводится коррекция данных с компенсацией влияния внутреннего сопротивления усилителя, используемого при тестировании наушников. После отрисовывается конечный график.

Методы измерений

Вариантов с тестовыми сигналами и формулами подсчетов много. Самым первым способом было поочередное воспроизведение синусоидального сигнала разных частот, где по зафиксированным амплитудам сигнала с микрофона строился график АЧХ. Данный метод очень прост, но слишком долгий и трудоемкий. Такой тест можно сделать вручную без ПК или специализированных вычислительных приборов. В автоматическом режиме такой тест можно запустить в приложении STEPS (ARTA), строящим помимо АЧХ линии графика гармонических искажений, вторую, третью, четвертую, пятую и сумму гармоник с шестой по двенадцатую.

Более быстрым является измерение скользящим синусом. На наушники подается синусоидальный сигнал, где сигнал плавно меняет свою частоту. После, по огибающей трека или спектральному анализу строится АЧХ. Данный метод уже требует большого количества вычислений и вручную не делается. Таким методом можно измерять в RMAA (“”), ARTA (“”). Для акустических измерений применяется лишь когда нужно сделать измерение гармонических искажений. В ARTA таким образом измеряется вторая, третья и четвертая гармоника.

Еще быстрее есть метод с воспроизведением мультитонового сигнала, однако для адекватного результата сигнал не должен содержать шумов. Такой метод не рекомендуется использовать для акустических измерений. Метод есть в RMAA («») для измерений цапов, ацп и других электрических цепей с высоким соотношнием сигнал/шум.

Другой тип сигналов – шумовые с ровным распределением спектра частот.
Белый или розовый шум. Данный метод обладает низкой точностью из-за сильной погрешности от обычного шума и в акустических измерениях не применяется. Преимущество теста – приблизительная оценка за короткий промежуток времени. Тест удобен во время real-time оценок. Такой метод есть в TrueRTA.

Периодический шум. Специальный шумовой сигнал (их несколько разновидностей в которые входит и MLS сигнал), при анализе которого строится импульсная характеристика. Из импульсной характеристики строится АЧХ. На сегодняшний день, это самый рекомендуемый метод для измерения АЧХ.

Измерения через импульсную характеристику напрямик. Воспроизводится импульс и записывается через микрофон. Для акустических измерений метод дает высокий уровень погрешности, т.к. шум вносит большую погрешность.

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

Поделитесь в социальных сетях