Больше мощности? — Часть I

Введение

Хотя штекеры большинства наушников совместимы с разъемами на большей части музыкального оборудования, это еще не значит, что в сочетании они дадут хорошее звучание. Разные наушники имеют различные требования к выходной мощности и напряжению, с какими-то источниками они совместимы лучше, с какими-то — хуже. Несоответствия здесь встречаются довольно часто. Если вы не удовлетворены тем, что имеете на данный момент, либо собираетесь приобрести новое устройство, ознакомиться с этой статьей будет весьма полезно.

Проблема

Попросту говоря, множество наушников не вполне пригодно для многих источником, и наоборот. И дело здесь не только в том, что надо использовать наушники с правильным значением импеданса. Одна из важнейших вещей, которые стоит отметить — чувствительность (эффективность) наушников.

Простейший путь (первое приближение)

Если чувствительность ваших наушников указана в дБ/мВт, вы можете получить примерное представление о том, какой мощности усилитель вам необходим, воспользовавшись соответствующей таблицей. Найдите чувствительность своих наушников в левом столбце (используйте ближайшее меньшее значение, если точного в таблице нет). Затем обратите внимание на цифры в следующих трех столбцах. Большинству людей следует воспользоваться значениями, соответствующими пиковому давлению 110 дБ (средний столбец). Если вы не любите слушать музыку громко, или же в основном слушаете pop, вам скорей всего подойдет 105 дБ. Если же вы любите слушать музыку действительно громко или часто слушаете высококачественные ауидофильские записи, используйте значения из столбца 115 дБ. Например, Sennheiser HD600 имеют чувствительность 97 дБ/мВт, потому им требуется 20 мВт для достижения пиковой громкости 110 дБ. Однако здесь есть один нюанс: ваш источник должен обеспечивать указанную мощность именно для импеданса ваших наушников, а некоторые производители не вполне добросовестно относятся к указанию выходной мощности. Больше об этом читайте в Технической части. Также вы можете воспользоваться таблицей в обратном направлении — найдя мощность своего источника и посмотрев, для каких наушников он подходит.

Спецификация имеет значение

Если вы спросите разработчиков аудиофильского оборудования, почему они не комплектуют свои изделия подробными спецификациями, в большинстве случае вы услышите в ответ что-то вроде «на самом деле спецификации не имеют значения». Но в нашем случае они имеют, и даже очень большое значение. Наушники, играющие достаточно громко с некоторым источником — это не магия, не что-то, что может быть достигнуто лишь методом проб и ошибок. Это определяется с помощью нескольких параметров и относительно простой математики. И не так, что все источники эффективно работают с практически любыми наушниками. Скорей наоборот — проблема совместимости очень распространенная. Так что в следующий раз, когда услышите «спецификация не важна», будьте уверены: человек либо не владеет необходимой информацией, либо намеренно вводит вас в заблуждение.

Максимальная мощность или уровень усиления

От усилителя под наушники требуется как достаточная выходная мощность, так и достаточный уровень усиления, чтобы достичь этой мощности с данной нагрузкой. Выходные параметры источников в значительной степени варьируются. Линейный выход iPod Touch (LOD) выдаёт максимальное напряжение 0.5 В, в то время как большая часть стационарного оборудования даёт напряжение как минимум в 4 раза выше. Таким образом, кроме достаточной мощности усилитель должен также обладать и достаточным коэффициентом усиления по напряжению. Читайте Всё об усилении.

Мощность требуемая и мощность допустимая

Зачастую имеется большая разница между значением мощности необходимой для достаточной громкости в наушниках и максимальной мощностью, которую по заявлению разработчика наушники могут обеспечить. Если вы видите в спецификации что-то вроде «Максимальная мощность: 200 мВт», это не значит, что вам необходим источник с такой мощностью. Это значит лишь то, что если вы подадите на наушники больше, чем 200 мВт, вы можете их повредить.

Пять факторов

Если вы хотите узнать всё в подробности о том, как определить совместимость наушников и источника, вот 5 вещей, которые необходимо учесть:

• Характер музыки (средняя громкость) — музыка значительно варьируется в плане значения средней громкости. Сильно компрессированная популярная музыка имеет значительно большую громкость, чем, например, аудиофильские записи джаза.


• Желаемый максимум громкости — максимальный уровень громкости, на которой человек хочет слушать музыку. Зависит от человека, но есть способы довольно точно рассчитать среднее значение.


• Чувствительность наушников — насколько громко наушники будут играть при заданной мощности или напряжении (из спецификации профессиональных замеров).


• Импеданс наушников — от этого зависит многое в следующем пункте, также он необходим в случае некоторых преобразований. Практически всегда указан в спецификации наушников.


• Максимальные выходные значения источника — мощность, которую источник может обеспечить, в зависимости от импеданса нагрузки. Зачастую эта характеристика плохо задокументирована, однако определяется путем измерений в некоторых обзорах. Иногда можно сделать предположения на основе того, что представлено в спецификации.

Средняя (среднеквадратичная, RMS) громкость

Музыка значительно отличается по средней громкости (её среднеквадратичному значению), которая наиболее приближена к воспринимаемой громкости. Где то в начале 90-х началась так называемая война громкости. Инженеры звукозаписи начали использовать всё большую и большую компрессию (усиливающую громкость тихих участков), таким образом, чтобы их миксы звучали громче, чем другие. Как результат, по итогам последних двух десятилетий средняя громкость популярной музыки постепенно достигла очень высоких значений. В цифровой записи максимальная громкость, которую вообще можно получить — 0 dBFS, где FS означает Full Scale (полная шкала). Таким образом ограничиваются пиковые значения записи. Средняя громкость измеряется в отрицательных значениях dBFS, и вот примерная картина:

• Pop-музыка с высокой компрессией (картинка выше): от -6 до -9 dBFS


• Качественные записи популярной музыки: от -9 до -12 dBFS


• Качественная акустическая музыка, джаз: от -12 до -18 dBFS


• Классика с широким динамическим диапазоном: от -18 до -30 dBFS

Что такое RMS?

RMS (Root Mean Square, среднее квадратическое) в нашем случае — лишь хитрый способ описать средний уровень звуковой волны. Для синусоидального сигнала это значение составляет 0.707 амплитудного значения. Для чего-то более сложного, вроде музыки, вычисления RMS значения более затруднительно, однако вполне возможно — с помощью специального ПО или оборудования.

Почему средняя громкость имеет значение

С учетом крайностей, диапазон различий в громкости между разным музыкальным материалом составляет 24 дБ. Сколько это, 24 дБ? Если мы возьмем перекомпрессированную запись популярной музыки и воспроизведем её с заданной громкостью, то классической музыке с высоким ДД для достижения такой же громкости понадобится пиковая мощность в 250 раз больше! Это не совсем справедливое сравнение, поскольку если вы попытаетесь воспроизвести классику с такой громкостью, скорей всего на громких участках вам захочется прикрутить ручку громкости. Но этот пример демонстрирует, как важен характер музыкального материала в определении требований к пиковой мощности.

Сложная музыка

Наиболее проблематичной является музыка, где средняя громкость по всей композиции относительно низкая, что вызывает желание увеличить громкость воспроизведения, однако присутствуют непродолжительные всплески громкости с очень высоким уровнем. Такие явления очень распространены среди аудиофильских материалов, в которых компрессия либо очень слабая, либо неиспользуется вообще, и в которых также присутствуют сфорцандо (внезапные резкие акценты). Это отличается от, например, симфонической классики, где имеет место постепенное нарастание до достаточно высоких устойчивых уровней средней громкости (речь идет, например, о крещендо), в результате чего возникает желание её уменьшить. Короткие громкие всплески оказывают влияние на музыку, однако субъективно не делают её громкой. В самых крайних случаях всплески достигают уровней +20 дБ относительно средней громкости композиции и требуют в 100 раз большую мощность, чем необходимо для среднего уровня. Сравните в Audacity треки Flim and the BB’s – New America и Lada Gaga – Just Dance (две картинки выше). Даже во время «громкого» участка New America средний уровень громкости (изображен светло-голубым) всё равно относительно низкий.

Клиппинг

Когда у источника недостаточно напряжения и/или тока, чтобы обеспечить требуемый для данной музыки пиковый уровень, происходит срез пиков. Исследования показали, что эти срезы могут остаться незамеченными, если они происходят не часто и клиппинг не глубокий. Но если срезы происходят часто, или же один из них оказывается значительным, клиппинг начинает восприниматься как «грязное» звучание. Это главная причина большинства неприятных для слуха искажений во всех источниках звука — от мобильных телефонов до автомобильных стереосистем. На картинке справа сигнал изображенный желтым воспроизводится правильно, в то время как зеленый получен на выходе менее подходящего усилителя, и вы можете видеть, что происходит с пиками музыкального сигнала — они «обрезаются», как ножницами.

Требуемый максимум громкости

Так какая же громкость является достаточной? Чтобы установить верхнюю границу личных предпочтений, в ходе исследований был определен т. н. болевой порог, начинающийся примерно со 120 dBSPL. Так что его будет справедливо использовать в качестве верхнего предельного значения. Кроме того 120 dBSPL — уровень, который даже в случае непродолжительного прослушивания может нанести необратимые повреждения слуху. Также исследования показали, что продолжительное прослушивание с уровнем громкости более 85 dBSPL тоже может повредить слух. Больше об уровнях можно почитать на Википедии. Ученые определили, что максимальный средний уровень громкости должен составлять по крайней мере 85 дБ, для классической музыки это означает пиковый уровень на 30 дБ больше, т. е. 115 дБ в пределе. Более популярной музыке будет соответствовать пиковый уровень 100 dBSPL.

Живая музыка

Если вы проследите уровни звукового давления во время живых выступлений, то обнаружите, что рок-концерты имеют средний уровень громкости 110 дБ, а пиковые — от 115 до 120 дБ. Концерты классической музыки имеют пиковый уровень около 110 dBSPL, и куда меньший средний уровень в 90 dBSPL или ниже.

Проверка теории на популярной музыке

Я использовал свои знаменитые HD650, включенные в мой усилитель O2, и воспроизвел некоторую подборку хорошо записанных популярных треков с максимальным приемлемым для меня уровнем громкости (который скорее всего способен повредить слух при длительном прослушивании). HD650 понадобилось 1.7 — 1.8 В, которые соответствовали громкости около 107 dBSPL. На скриншоте осциллографа справа пунктирными линиями отмечены значения peak-to-peak (около 4.8 В). Отмеченные пиковые значения — это еще не максимум для остальных треков. Для данного же типа музыки, что касается уровня «слишком громко», я склоняюсь к 110 dBSPL, указанным в таблице выше. Таким образом рекомендации себя оправдали.

Тестирование на Flim & The BB’s

Далее я повторил тест, но уже использовал трек Flim & the BB’s – New America, упомянутый выше. Я установил максимальную громкость, при которой самые громкие части трека всё еще звучали «комфортно». Теперь пик в одном месте достиг 5.1 В (около 10.2 В peak-to-peak). Это соответствовало среднеквадратичному значению 3.2 — 3.6 В, что в свою очередь для HD650 соответствует ~114 dBSPL. Это максимум (или даже больше), что могут выдать портативные усилители (O2 является исключением). Результаты хорошо согласуются с рекомендациями 115 dBSPL для музыки с широким ДД. Таким образом, с учетом болевого порога и рекомендаций медиков, мы получаем 105 — 115 дБ. Для живых выступлений мы получаем 105 — 115 дБ. А в ходе моего собственного тестирования, с моей музыкой, наушниками и усилителем я получил 107 — 114 dBSPL. Итак, с учетом всего вышеописанного, 110 dBSPL является наиболее приемлемым целевым значением громкости. Прибавьте 5 дБ для музыки с широким динамическим диапазоном и отнимите 5 дБ, если по большей части слушаете Lady Gaga или не любите слушать музыку слишком громко.

Чувствительность наушников

Разным наушникам необходим разная мощность для воспроизведения с той же самой громкостью. Насколько громко будут играть наушники, если на них подать заданную мощность, определяет чувствительность (эффективность). По правилам её значение указывается в dBSPL на милливатт, или dBSPL на вольт. Более ранний международный стандарт рекомендовал к использованию дБ/мВт, новый же рекомендует дБ/В. Но иногда производители не указвыают этот параметр в спецификации — например, как Ultrasone в списке ниже. Список покрывает диапазон от 87 до 117 дБ при всё том же 1 мВт мощности. Это целых 30 дБ и, верите или нет, наушникам HiFiMAN необходимо в 1000 раз больше мощности, чтобы играть с такой же громкостью, как TripleFi 10s! Некоторые примеры:

• Sennheiser HD600: 97 дБ/мВт, 300 Ом


• Sennheiser HD650 - 103 дБ/В, 300 Ом


• Ultimate Ears TripleFi 10 - 117 дБ/мВт, 1 кГц, 32 Ом


• HiFiMAN HE-5LE - 87.5 дБ/мВт, 38 Ом


• Ultrasone Edition 10 – 99 дБ (величина в спецификации не указана!), 32 Ом

Импеданс наушников

В списке выше импеданс указывается в конце. Импеданс важно знать, если вы хотите выполнить преобразование между ваттами и вольтами — например, сравнить значения чувствительности HD600 и H650. Также значение импеданса позволяет оценить выходные параметры источника при подключении данной нагрузки. Импеданс указывается в омах.

Максимальные выходные значения

Именно здесь часто возникает неясность. Для многих источников, включая портативные плееры, ЦАП'ы, усилители для наушников, не полностью указаны выходные параметры. Выходная мощность любого устройства в значительной степени зависит от импеданса наушников (нагрузки). Мощность есть функция напряжения и тока. К сожалению, разные источники обладают разными максимальными значениями обеих величин. Некоторые разработчики, например Apple, хранят все значения в тайне, а некоторые, вроде Sony, указывают ненужные параметры. Выходной импеданс источника (который указывается редко) также влияет на мощность, подаваемую на различную нагрузку. Потому без полной спецификации трудно делать вычисления. Вот некоторые типичные примеры:

• Apple iPod Touch – мощность не указана, выходной импеданс не указан


• Sony NWZS545 – Мощность выхода: 5 мВт + 5 мВт (бесполезно), выходной импеданс не указан


• NuForce uDAC-2 - Выходная мощность: 80 мВт x 2 @ 32 Ом, выходной импеданс не указан


• FiiO E7 – Выходная мощность: 150 мВт (16 Ом); 16 мВт (300 Ом), выходной импеданс не указан


• FiiO E9 - Выходная мощность: 1 Вт (16 Ом); 80 мВт (600 Ом), выходной импеданс не указан


• Leckerton UHA-4 - 20 мВт 16 Ом, 40 мВт 32 Ом, 50 мВт 100 Ом, 15 мВт 300 Ом, выходной импеданс 0.4 Ом

Запас

Рекомендации 105 — 115 дБ, указанные выше подразумевают работу без какого-либо дополнительного запаса. Но какой-нибудь звуковой пурист может захотеть добавить еще 1 — 3 дБ (25 — 100%) мощности про запас, чтобы усилитель с еще меньшей вероятностью давал клиппинг.

Итого

Таблица в начале статьи может быть использована на практике. Также я объяснил, почему так важно значение средней громкости и личные предпочтения. Для тех, кто более склоняется к техническому подходу, в следующей части я опишу, как рассчитать уровень громкости, конвертировать различные спецификации, а также многое другое.

Больше мощности? — Часть 2 (техническая)>>>

Оригинал статьи на английском: More Power?