Что такое импеданс и как электрическая фаза влияет на звук наушников

Читая мои обзоры, несложно заметить, что я уже много лет с интересом слежу за продукцией киевской лаборатории Ambient Acoustics — кастомными внутриканальными мониторами (так называют наушники, сделанные из акрила по слепку ушей конкретных пользователей, подробнее можете прочитать тут). Наращивая сложность и качество своих изделий, сотрудники лаборатории не забывают и про исследовательскую работу. Недавно они представили совершенно новую технологию коррекции фазы и импеданса в своих наушниках, предлагаю разобраться, что это и зачем оно надо.

1_
Я расспросил представителей лаборатории о том, как работает их технология, и на основе их рассказов постарался написать объяснение.

Для начала нам необходимо четко понять, как работают наушники. Я когда-то писал достаточно большую статью на эту тему, поэтому изложу кратко. В основе практически всех излучателей, использующихся в наушниках, лежит принцип преобразования электрической энергии в механическую с помощью постоянных и переменных магнитов. То есть через проводник, помещенный в постоянное магнитное поле, проходит электрический сигнал, что вызывает появление вокруг него переменного магнитного поля. Два этих поля взаимодействуют, и проводник приводится в механическое движение. Это движение тем или иным способом преобразовывается в колебания воздуха, которые мы и воспринимаем как звук.

Чтобы увеличить силу магнитного поля, проводник чаще всего сматывается в катушку. Там же, где имеется катушка индуктивности, в дело вступает интересная физическая величина под названием реактивное сопротивление. В отличие от обычного сопротивления резистора, характеризующегося соотношением напряжения к току, сопротивление реактивных элементов (катушек индуктивности и конденсаторов) не может быть измерено так просто. Обычное сопротивление идеальной катушки стремится к нулю, конденсатора — к бесконечности.

Для таких элементов знаменитым математиком Хевисайдом в 1886 году было введено понятие комплексного (или полного) сопротивления, называемого также импедансом. Импеданс, в отличие от сопротивления, изменяется в зависимости от частоты сигнала, проходящего через электрическую цепь. Чаще всего в характеристиках наушников указывают импеданс, для сигнала в 1 кГц.

Вывод первый: наушники обладают нелинейным импедансом, зависящим от частоты.

В то время как импеданс изменяется с частотой, то же самое происходит и с фазой. В данном случае «фаза» — это временной сдвиг между пиковыми значениями подводимого электрического напряжения и тока. Чем больше фазовый сдвиг, тем больше реактивная составляющая нагрузки. Как правило, чем больше фазовая задержка, тем труднее управлять нагрузкой. Обычный резистор имеет практически нулевую фазовую задержку во всем диапазоне звуковых частот. То есть напряжение и ток, проходящие через резистор, находятся в фазе, без временного сдвига между собой.

Динамические наушники, как правило, обладают практически линейными кривыми импеданса и фазы. Вот, например, графики для наушников Monster Turbine Pro Gold.
_1 Monster
Многие внутриканальные мониторы класса high-end используют технологию уравновешенного якоря (излучатели Balanced Armature). Благодаря малым размерам излучателей есть возможность применения двух, трех и более (в некоторых случаях доходит до восьми) излучателей в одном наушнике. По аналогии со стационарными акустическими системами, в одном наушнике присутствуют: сабвуфер, «среднечастотники», «высокочастотники». Чем больше количество динамиков, тем больше количество частотных полос, на которые дробится весь слышимый частотный диапазон. Разделение осуществляется с помощью электрических фильтров (электрический кроссовер), акустических фильтров (акустический кроссовер) и акустических резонаторов (горны, обратные горны).

Арматурные излучатели сами по себе обладают достаточно «реактивной» кривой импеданса и неравномерной фазой за счет большой индуктивности катушки и постоянных магнитов во внутренней структуре. В качестве электрического кроссовера применяются пассивные электрические фильтры 1-го и 2-го порядка на основе конденсаторов, индуктивностей и резисторов. Из-за этого, кривые импеданса и фазы таких наушников могут быть какими угодно.
_3 UE
_2 Earsonic
_4 Sony
_5 JH16
Вывод второй: многодрайверные арматурные наушники чаще всего обладают нелинейными графиками импеданса и фазы.

Как правило, чем равномерней кривые импеданса и электрической фазы наушников, тем меньше влияние выходного импеданса источников на итоговую частотную характеристику наушников. Таким образом, благодаря линейности электрических характеристик вставных динамических наушников, они являются наименее требовательными к источникам. И наоборот, чем больше неровности кривой импеданса наушников, тем больше выходной импеданс источника влияет на их звук. На приведенных выше графиках заметны достаточно большие всплески импедансов разных наушников, достигающие порой 80-100Ω. Как легко можно увидеть на графиках, на этих же участках АЧХ возникают задержки между изменением напряжения и тока (фаза). Именно на этих участках при наложении фазовых смещений, неравномерности импеданса наушников и выходного импеданса усилителя, обусловленного его схемотехникой, проявляются изменения в итоговых амплитудно-частотных характеристиках (АЧХ) наушников. Проще говоря, будет слышна разница между тем, как наушники должны звучать, и как они звучат на данном источнике. Отсюда возникает проблема «несыгранности» некоторых многодрайверных моделей с некоторыми усилительными трактами. Есть такое эмпирическое «правило одной восьмой»: выходной импеданс источника должен составлять не больше 1/8 импеданса наушников. То есть, для современных чувствительных наушников с импедансом в 16Ω, выходной импеданс плеера должен быть менее 2Ω, а лучше — еще меньше.

Разумеется, сейчас есть очень много хороших плееров с выходным импедансом, стремящимся к нулю и позволяющих максимально нивелировать такие проблемы, но тут есть ряд трудностей. Во-первых, близкий к нулевому импеданс позволяет снизить влияние неравномерности, но не убирает его полностью. Во-вторых, в некоторых случаях использовать такие источники не представляется возможным. Например, Ambient Acoustics очень часто делают свои мониторы для музыкантов, использующих их с профессиональным оборудованием, в котором далеко не всегда ставят за цель достижение низкого выходного импеданса.

Вернемся от теории к практике, а точнее, к Ambient Monitors. Несколько лет Ambient Acoustics постепенно двигались вперед, улучшая свои продукты, и пытаясь достичь поставленных целей. Улучшения носили как внешний (качество литья, применение разных материалов и вставок, изготовление собственных коннекторов), так и внутренний (использование печатных плат для кроссоверов, максимальное использование акустического, а не электрического демпфирования) характер.

Следующим шагом стало стремление добиться максимальной отдачи мониторов, независимо от используемого источника. Единственным способом добиться этого было обеспечить как можно большую линейность тех самых графиков импеданса и фазы.

Основной задачей было сглаживание резонансных пиков электрического контура системы драйверов и электрических кроссоверов в каждой модели, и тем самым понизить влияние внутренней схемотехники источников на итоговое звучание мониторов, повысив «натуральность» звучания. Итогом годовой работы и «обкатки» стало внедрение технологии коррекции фазы и кривой импеданса во все кастомные мониторы.

Разумеется, детали реализации технологии не раскрываются. Основной же ее особенностью является то, что она практически не влияет на итоговую АЧХ мониторов, а «работает» исключительно в области электрических параметров. Максимальной «ровности» в пределах 10 единиц (см. рисунок ниже) из всей линейки мониторов удалось достичь в студийных AM3 Reference Edition. Для остальных моделей этот показатель лежит в пределах 20-40 единиц (что также очень неплохо).
_6 Result
Для того чтобы проверить, как это звучит на практике, я отдал на модификацию свои Ambient Monitors AM6 HiRez. Помимо коррекции, в лаборатории мне сделали новый дизайн (белый карбон с синим корпусом и серебристыми надписями — смотрятся просто великолепно), а также сделали концы звуководов из мягкого акрила. Последнее — еще одна новая наработка компании, это позволяет добиться большего комфорта в ходе длительного ношения.
2_
Тесты проводились с несколькими плеерами, в числе которых были: HiFiMan 901, Rio Karma, Sandisk Sansa Clip+. Также наушники прослушивались с iPhone 4, iPod Video 5.5G и ЦАП Yulong DA8.
3_
Изменения лучше всего слышны на источниках «попроще», хотя и на топовых плеерах их можно услышать. Бас стал более упругим, ощущение удара сильнее и собранней, особенно хорошо это слышно на качественных записях ударных (те же «Ондекоза» звучат очень круто). На простых источниках ощутимо уменьшилась яркость, звук стал не таким резким, но это не в ущерб детализации. Также лучше стало построение виртуальной сцены, позиционирование источников звука — просто невероятное (на качественных записях).
4_
Тот факт, что Ambient Monitor 6 HiRez стали лучше работать с простыми источниками звука, сложно недооценить. Я знаю некоторых людей, которым нравится звук рекордеров, и они используют их в качестве портативных плееров. Теперь с ними вполне можно использовать продукты AA. Я могу ошибиться, но, по-моему, еще никто из производителей «кастомов» в мире не предлагал ничего подобного, поэтому покупка Ambient Monitors становится еще более оправданной для ценителей качественного портативного звука.
5_

 

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.