Основные характеристики наушников
Это обзор основных характеристик наушников и их взаимосвязь со звуком. Это краткая выжимка из более подробных материалов по каждой характеристике.
Самый главный упор сделан на общее представление, какие характеристики дают полезную информацию, а какие указываются для красоты. Какие характеристики надо учитывать при подборе к источнику звука и что характеристики не показывают и это можно проверить только на слух.
Текст составлен на основе опыта тестирования 1972 устройств: наушников и источников-усилителей.
Частотный диапазон наушников
Существует неверное предположение, что за пределами указанного диапазона наушники ничего не воспроизводят. На самом деле частоты в не указанного диапазона просто воспроизводятся тише. Это можно наглядно посмотреть в нашей базе измерений наушников на графиках АЧХ различных наушников.
Резкий обрыв высоких частот, когда выше определенной границы они не воспроизводятся, бывает только у беспроводных или USB наушников, где динамик может и может что-то воспроизвести, но встроенный ЦАП или цифровой формат данных ограничен определенной частотой: 22/24, 44/48 или 88/96 кГц. Здесь ограничение является для всей конструкции наушников.
Считается, что человек слышит частоты от 20 Гц до 20 кГц и аналогичного диапазона у наушников вполне достаточно. Более широкий частотный диапазон предполагает, что слышимый диапазон будет воспроизведен от 20 Гц до 20 кГц с меньшим спадом АЧХ по краям и меньшими искажения в области низких частот.
На эту характеристику не стоит ориентироваться, она в большей степени формальная.
На практике каждый производитель ставит свои критерии определение ширины частотного диапазона и эта характеристика не позволяет корректно сравнивать разные наушники между собой. Так как частотный диапазон определяется по АЧХ, то большое влияние оказывает выбранный стенд для измерений и методика, что обычно не указывают.
Корректное сравнение возможно делать только для наушников, которые были измерены с одинаковыми критериями определения частотного диапазона.
Амплитудно-частотная характеристика наушников (АЧХ)
АЧХ показывает баланс громкости частот (тональный баланс) как эквалайзер, включенный для наушников или АС с «ровной АЧХ».
АЧХ зависит от методики измерения и выбранного стенда. Единого стандарта для измерений наушников не существует, т.к. у каждого человека своя форма ушной раковины. Не помогают ни специальные поправки в виде HRTF функций, ни стоимость стенда с дорогими микрофонами.
Тем не менее, общая разница АЧХ между моделями позволяет понять отличия в звучании моделей, а форма АЧХ дает общее представление о типе АЧХ и общем характере звучания. При желании, основываясь на данных графиков, АЧХ наушников возможно скорректировать.
Для разных условий прослушивания: громкости, внешнего шума и типа оформления наушников, наилучшими являются разные варианты АЧХ.
В базе данных RAA для прямого сравнения АЧХ доступно 1252 моделей наушников 
Сравнить и подобрать наилучшие наушники для себя!
Подробнее про АЧХ
Чувствительность наушников
Параметр чувствительности отражает зависимость уровня «громкости» наушников от уровня поданного на наушники сигнала. Чем выше значение чувствительности, тем более громко будут играть наушники от фиксированного уровня сигнала.
Наушники с низкой чувствительностью играют соответственно тихо и их рекомендуется подключать к изначально мощным источникам.
При оптимальном согласовании чувствительности и мощности усилителя можно получить оптимальную громкость и минимум шума.
В отсортированной таблице измеренных наушников можно посмотреть на конкретные цифры значений, от наушников с высокой чувствительностью к наушникам с низкой чувствительностью.
Подробнее про чувствительность наушников
Сопротивление наушников (импеданс)
Сопротивление наушников косвенно влияет на чувствительность наушников и согласование с усилителем.
Так как величина сопротивления у наушников меняется в зависимости от частоты и представляет собой кривую линию, то более правильным названием является «импеданс». Если в английском языке допустимо только слово impedance, то в русском чаще встречается «сопротивление наушников».
По кривой импеданса наушников можно определить тип излучателя или излучателей, использующиеся в наушниках.
Влияние сопротивления на чувствительность
Чувствительность наушников к мощности не зависит от сопротивления драйвера, ограничиваясь только конструкцией излучателя. При изменении сопротивления излучателя меняется соотношение подаваемого напряжения и тока, при которых будет образовываться исходная подаваемая мощность.
Так как относительная громкость наушников напрямую зависит именно от напряжения, то именно на чувствительность к напряжению оказывает влияние исходное сопротивление наушников для определенной конструкции. Чем выше сопротивление наушников, тем ниже чувствительность к напряжению и наоборот.
Для наушников арматурного типа это правило может не работать из-за другого типа конструкции и кривой импеданса.
В сервисе сравнения характеристик можно отсортировать наушники по двум типам чувствительности и величине сопротивления. Учавствует 1523 моделей.
Согласование мощности усилителя и сопротивления наушников
При выставлении определенного уровня громкости на выходе усилителя устанавливается определенное напряжение при подключенных наушниках. Необходимый уровень напряжения зависит от чувствительности наушников к напряжению.
Наушники будут потреблять ток в зависимости от величины сопротивления. Чем сопротивление у наушников ниже, тем больше тока им потребуется при том же уровне напряжения.
Если неверно подобрать усилитель к наушникам, то звук будет или тихий, или некачественный (резкий или хрипящий).
Таким образом, за согласование наушников и усилителя отвечает четыре характеристики: ток и напряжение усилителя и чувствительность с сопротивлением наушников.
Сервис сопоставления мощности источников и чувствительности наушников 
Доступно 463 источников (усилителей) и 1523 наушников.
Влияние сопротивления на АЧХ
Когда наушники подключаются к усилителю, то их АЧХ меняется из-за индивидуального согласования импеданса наушников, сопротивления проводов и полного выходного сопротивления усилителя.
Из-за сопротивления усилителя происходит снижение громкости сигнала. Если импеданс наушников или усилителя не является ровной прямой, то снижение происходит неравномерно. Обычно пользователь не знает, какой уровень напряжения устанавливается регулятором громкости на выходе усилителя, и комфортный уровень громкости регулируется субъективно на слух. Таким образом субъективно замечается лишь изменение тонального баланса.
Чем ниже сопротивление наушников и выше у усилителя, тем сильнее будет меняться общая АЧХ связки из наушников и усилителя.
В общих отчетах приводятся графики взаимодействия с распространенными вариантами условных усилителей и наушников.
В отдельных сервисах можно выбрать отдельно измеренный усилитель и отдельно измеренную модель наушников и посмотреть их совместный результат.
В сервисе доступно 1163 моделей наушников и 558 усилителей.
Максимальная мощность
Иногда производители указывают значение максимальной мощности. Это значение трактуется очень широко и может обозначать лишь отдельные варианты условий для максимальной мощности. Это может быть заверение, что при такой мощности производитель гарантирует звук без искажений. Это может быть значение мощности, выше которой у наушников будет повреждение мембраны или сгорит катушка индуктивности. Мощность может подразумеваться как аналог музыкального сигнала, а может как для энергетически плотного синуса.
К сожалению, эта характеристика такая же расплывчатая, как и частотный диапазон.
Характеристика не отражает громкость наушников, тут нет аналогии с максимальной мощностью для активной акустики.
Типы наушников по акустическому оформлению
Альтернативные модели, где драйвер одинаково излучает как в ухо, так и в окружающее пространство называются открытыми. Такие наушники используют там, где не требуется шумоизоляция от внешнего шума и при этом музыка из наушников не мешает окружающим. Наушники открытого типа обычно обеспечивают более качественный звук в прямом сравнении с наушниками закрытого типа схожей конструкции и компонентов сопоставимого качества. У закрытых наушников звук хуже обычно из-за лишних переотражений внутри герметичного корпуса.
Существуют наушники промежуточного типа, с частичной шумоизоляцией. Из называют как полу-открытые или полу-закрытые в зависимости от контекста.
Типы наушников по посадке
Полноразмерные (охватывающие, мониторные, дуговые)
Еще такие наушники называют мониторными, но это название корректно только для моделей закрытого типа. Ранее мониторными наушниками в студии называли те модели, которые обладали шумоизоляцией. Музыкант слушал музыку в наушниках и играл на инструменте вовремя записи в микрофон. За счет шумоизоляции наушников, в микрофон записывал только инструмент или вокал.
Накладные
Это более компактные наушники, которые прижимаются к ушной раковине. Такие наушники за счет более близкого расположения динамика позволяют получить более высокую чувствительность. Это делает такие наушники более подходящими для портативного использования. Но, комфорт от использования таких наушников из-за постоянного прижима к уху ниже. Такие наушники хороши для тех задач, где наушники не нужно использовать продолжительное время.
Внутриканальные (вакуумные затычки) и вкладыши (таблетки)
Это самые маленькие наушники, которые имеют преимущество в виде малых габаритов и наиболее высокой чувствительности. Высокая чувствительность обеспечивается близким расположением и малыми габаритами (веса мембраны и прочей конструкции) излучателя.
В большинстве случаев внутриканальные наушники относятся к закрытому типу обеспечивают наилучшую шумоизоляцию. Это отличный вариант для шумного транспорта. За счет хорошей шумоизоляции в таких наушниках есть возможность слушать музыку негромко. Однако они считаются самыми опасными для слуха из-за высокой шумоизоляции и желания пользователя выкрутить звук погромче. Это как со спорт-каром, где водитель нарушает скоростной режим лишь из-за возможности его нарушить, т.к. автомобиль может развить большую скорость. И такой автомобиль автоматически является «опасным».
Внутриканальные наушники предполагается герметично располагать напрямую в слуховом канале. Именно из-за герметичности приклеилось название «вакуумный», по принципу плотной упаковки пленкой, хотя никакого вакуума ни в наушниках, ни в слуховом канале нет.
Вкладыши наоборот располагаются около входа в слуховой канал непосредственно в ушной раковине. Такие наушники, независимо от типа конструкции, относятся к открытому или полу-закрытому типу из-за невозможности герметичной посадки. Такие наушники хороши для улицы, но неприменимы для шумного транспорта. Из-за внешнего шума в таких наушниках приходится выкручивать громкость на максимум и заодно мешать окружающим пассажирам.
Еще вкладыши могут быть более комфортны тем, кому физически неприятны внутриканальные наушники. Сегодня вкладыши можно встретить в основном лишь в самом дешевом сегменте. Наушников среднего и высокого качества выпускается мало.
Frequency response
From Wikipedia, the free encyclopedia
In electronics, frequency response is the quantitative measure of the output spectrum of a system or device in response to a stimulus, and is used to characterize the dynamics of the system. It is a measure of magnitude and phase of the output as a function of frequency, in comparison to the input. For a linear system, doubling the amplitude of the input will double the amplitude of the output, and summing two inputs produces an output that is the sum of the two corresponding outputs to the individual inputs. In addition, if the system is time-invariant (so LTI), then the frequency response also will not vary with time, and injecting a sine wave into the system at a given frequency will make the system respond at that same frequency with a certain magnitude and a certain phase angle relative to the input. Thus for LTI systems, the frequency response can be seen as applying the system’s transfer function to a purely imaginary number argument representing the frequency of the sinusoidal excitation. [1]
Two applications of frequency response analysis are related but have different objectives. First, for an audio system, the objective may be to reproduce the input signal with no distortion. That would require a uniform (flat) magnitude of response up to the bandwidth limitation of the system, with the signal delayed by precisely the same amount of time at all frequencies. That amount of time could be seconds, or weeks or months in the case of recorded media. In contrast, for a feedback apparatus used to control a dynamic system, the objective is to give the closed-loop system improved response as compared to the uncompensated system. The feedback generally needs to respond to system dynamics within a very small number of cycles of oscillation (usually less than one full cycle), and with a definite phase angle relative to the commanded control input. For feedback of sufficient amplification, getting the phase angle wrong can lead to instability for an open-loop stable system, or failure to stabilize a system that is open-loop unstable.
Digital filters may be used for both audio systems and feedback control systems, but since the objectives are different, generally the phase characteristics of the filters will be significantly different for the two applications.
Идеальная АЧХ наушников (FAQ) — Ровная АЧХ наушников — Ideal HeadPhone Frequency Response
Эта статья взята с сайта PersonalAudio
Сюда запостил для ролика про Apple AirPods 2, чтобы не искать постоянно ))
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.
