音箱耳机入门 浅谈耳机的阻抗、阻抗曲线与灵敏度
赵宇为 于 2015.04.28 22:12:31 | 源自:www.soomal.com | 版权:原创
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Soomal已经有一年半的时间没有更新过《音箱耳机入门》的科普类文章了,我们计划重新起动这类文章的更新力度。与以往音箱耳机入门、声卡入门类文章相比,接下来更新的内容应该更多从耳机、音箱、解码器、功放等指标的含义和测试方法角度进行,耳机产品肯定是其中的重点。也是为我们筹备已久的耳机系统测试平台、测试方自己做功课。其中,还会修正以往Soomal科普内容中不准确、不正确的知识。

由于人力精力有限,更新可能还是不会太快,但这系列的文章会让产品参数、测试方法、测试结果得到更好的结合,音频设备的主观听感绝不是什么玄学。更不要以为客观测试数据、产品参数与主观听感相距甚远,那是因为我们测试方法不够好,测试项目不够准,对产品参数的理解也不够深入。这是接下来很长一段时间,Soomal科普的内容。有的可能适合入门,有的可能适合深入研究。

今天我们来聊聊耳机产品中最常见的两个数据“阻抗”与“灵敏度”。这两个概念的解释在百度百科里都有,但名词解释显然不是本文的目的。如果你有足够多的耳机使用经验就会发现,这两个值在选购耳机时,判断耳机是否好“推”时,并不是每次都管用。那么这两个参数到底有多少参考价值?为什么所有耳机产品都要列出这两个参数呢?

首先,来简单介绍一下现有耳机和行业测试方法规范下的阻抗的概念。

阻抗:即额定阻抗。该值一般代表在核定频率范围内达到最大功率时理想状态下的最低阻抗值,因为留有余量,该值不应该高于最低阻抗值的20%。这套定义和相关测试方法,以动圈式耳机为参考。静电式耳机、动铁式耳机的阻抗曲线会随频率发生较大变化,测试和定义方法可能不同。从现有产品来看,可能会取1kHz或者某个频率上的阻抗作为额定阻抗。

以上定义其实进一步去思考就会发现有很多点需要解释。首先,我们称之为阻抗,说明无论何种原理的扬声器,它不是纯电阻电路。在具有电阻、电容和电感的电路里,对电路中电流起阻碍作用叫做阻抗,单位为欧姆Ω。

其中R为电阻,ωL为感抗,1/(ωC)为容抗。感抗是电感在交流电路中对电流所起的阻碍作用,容抗是电容在交流电路中对电流所起的阻碍作用。由于不是物理课,所以概念介绍到此为止。

虽然行业测试一般规定,无论在音箱使用扬声器还是耳机扬声器上,阻抗都应该测试一个频率范围内最低值[20%偏差]。但似乎现在耳机的额定阻抗也均来取自1kHz频率下的数值。也许是动圈、平板式耳机扬声器的阻抗曲线相对平坦,它们很多会标注额定阻抗是在1kHz下得到的。而为了不给普通用户带来太多困扰,估计动圈式耳机也不会标注一堆阻抗值给大家参考。

阻抗曲线:对于耳机产品来说大家相对很少提到阻抗曲线,扬声器的阻抗曲线是指扬声器在输入不同频率信号时表现出不同阻抗值的“阻抗/频率”曲线。由于动圈式耳机扬声器的阻抗曲线在20Hz-20kHz甚至更高频率下都比较平坦,所以提到这项指标并不多。而在音箱使用的扬声器上,阻抗曲线是重要指标,一般它会在低频附近有一个很大的凸起,随后迅速回落[以第一个低谷作为额定阻抗],随后随着频率的升高,阻抗可能有不同程度的升高。我们下面转载了www.innerfidelity.com测试数据,帮助大家理解不同耳机阻抗曲线区别。Soomal正在筹备这套测试系统。[下面测试图表转载自www.innerfidelity.com]

图片转载自 http://www.innerfidelity.com/
图片转载自 http://www.innerfidelity.com/
图片转载自 http://www.innerfidelity.com/
图片转载自 http://www.innerfidelity.com/
innerfidelity将频率和阻抗的变化关系,以及频率和相位的变化关系的两条曲线放在一个表格中。Phase的是相位/频率曲线, impedance的是阻抗/频率曲线。图表中说600Ω输出阻抗测试,是指音源输出电平为0dBu下完成[电平概念,以后文章再谈]。

这对我们玩耳机有什么启发呢?

  • 第一,耳机的额定阻抗是一个通过比较法或者替换法等测试方法得到的某点的欧姆数。

    第二,动圈、平板、静电、动铁耳机的单元都会在有效频率内[可以取20Hz-20kHz,也可以更高,例如50kHz]阻抗发生变化,而不是一成不变的。

    第三,动圈式耳机、平板振膜耳机、动圈耳塞的阻抗曲线相对平坦。但动圈式大尺寸扬声器[音箱使用]的阻抗曲线则远不如耳机上的平坦。

    第四,动铁单元的阻抗曲线非常夸张,单个动铁单元覆盖全频带时高频阻抗会陡增。多单元动铁,其实也是在改善这个问题,但仍然差别很大。

    第五,阻抗是一个复数,它与信号频率、相位都相关。

    第六,阻抗与外加电阻不能等同,尤其是阻抗曲线变化巨大的耳机,可能会带来很诡异的听感。

接下来聊聊耳机的灵敏度。

耳机的灵敏度:了解阻抗之后,我们来看看另一个与阻抗相关的值耳机的灵敏度。

耳机的灵敏度是指在指定测试条件下[IEC人工耳和不同耦合器件模拟人耳,或耳道],使用1kHz正弦波交流信号,让耳机达到1mW功率时,可以达到的声压级,单位是dB/mW。由于dB作为指数单位,必然后跟测试条件,对于很多普通用户来说使用不便,我们在提到灵敏度时可能会省去mW单位。但很多耳机产品会非常完整的写下dB SPL/mW @1kHz,或类似的写法。可使用功率公式P=U^{2}/Z,求得U电压值。其中P功率要求是1mW,即0.001W已知,即最大正弦功率。U为最大正弦电压,Z是扬声器额定阻抗。看上去和直流算功率的方法没啥差别。

例如,一款耳机标明的额定阻抗为32欧姆,需要的电压大概为0.179V[0.032平方根];150欧姆对应的就是0.387V。所以不同的阻抗值粗略的告诉我们一款耳机在达到它标称的灵敏度数值的声压级时,所需要供电电压的高低差别。

这里额外讨论一个话题,就是为什么越来越多的手机可以号称自己可以驱动600欧的耳机了呢?根据以上公式可以求得,如果耳机负载为600欧姆,那么需要供电电压是0.775V,而根据行业测试标准以往模拟电平数字化标准时0dBu的定义,即600欧负载下达到1mW的模拟电压的0.775V为0dBu[也是600欧的0dBm]。dBu,其实就是Soomal平时测评声卡、手机、解码器等产品时谈到的输出电平xxx dB。关于这个概念下次再谈。而手机称自己可以驱动600欧耳机,是指它可以提供0dBu,即0.775V的输出电压,并达到1mW的输出功率。

耳机灵敏度参数对于我们使用、选购耳机有什么启发呢?

  • 第一,目前头戴耳机的灵敏度一般在100dB左右,小耳塞灵敏度很容易超过100dB。而我们一般人在安静环境下听音乐需要耳机达到的声压级在平均90dB-100dB左右。目前低于90dB灵敏度的耳机不多,低于这个值,再看看它的额定阻抗,基本知道它是否容易驱动了。

    第二,灵敏度和额定阻抗是一组相关参数,虽然都是某频率点上的静态指标,但也需要结合在一起来看。例如同为100dB灵敏度,阻抗是32欧姆和300欧姆,就有很大差别了。由于声压是指数单位,阻抗又要对应到开平方下的电压值[为了得到1mW的功率指标],所以对于习惯线性关系的人脑来说,感觉不会那么准。

    第三,上文谈到,扬声器的阻抗会随信号频率变化而变化,灵敏度也只是1kHz下达到1mW时的声压级,它只是一个快速、初步的判断指标,所以有时候你会觉得这两个参数与听感好坏判断几乎没有参考价值。对于耳机是否好推有定量的意义,阻抗低,达到灵敏度标注声压的电压就更低;灵敏度高,自然在同样输入功率下,声压会更大。但这只是衡量声音大小的指标,更何况还是1kHz单一频率的。我们还要考虑它的阻抗曲线和众多因素。

    第四,由于第三条说的内容,所以大家要警惕也可以理解为什么一些音源说可以驱动600欧甚至1000欧阻抗耳机,这是一种不严谨不负责的说法。

作为入门内容,本文涉及的信息和知识点似乎已经有些复杂了。作为扬声器如此复杂的电声元件来说,并非以上一些参数就可以完全概括它的性能。频率范围、阻抗和灵敏度,作为耳机产品最常见的三个相关声学参数,它起到的作用需要考虑到它的定义与测试条件。希望本文相关几条提示对大家认识这两个参数有所帮助。接下来的几期内容,我们会聊聊输入输出中的电压、电平和信噪比指标的定义和用途。

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