喇叭耳機入門 淺談耳機的阻抗、阻抗曲線與靈敏度
趙宇為 于 2015.04.28 22:12:31 | 源自:www.soomal.com | 版權:原創
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Soomal已經有一年半的時間沒有更新過《喇叭耳機入門》的科普類文章了,我們計劃重新起動這類文章的更新力度。與以往喇叭耳機入門、音效卡入門類文章相比,接下來更新的內容應該更多從耳機、喇叭、解碼器、功放等指標的含義和測試方法角度進行,耳機產品肯定是其中的重點。也是為我們籌備已久的耳機系統測試平臺、測試方自己做功課。其中,還會修正以往Soomal科普內容中不準確、不正確的知識。

由于人力精力有限,更新可能還是不會太快,但這系列的文章會讓產品參數、測試方法、測試結果得到更好的結合,音頻裝置的主觀聽感絕不是什么玄學。更不要以為客觀測試數據、產品參數與主觀聽感相距甚遠,那是因為我們測試方法不夠好,測試項目不夠準,對產品參數的理解也不夠深入。這是接下來很長一段時間,Soomal科普的內容。有的可能適合入門,有的可能適合深入研究。

今天我們來聊聊耳機產品中最常見的兩個數據“阻抗”與“靈敏度”。這兩個概念的解釋在百度百科里都有,但名詞解釋顯然不是本文的目的。如果你有足夠多的耳機使用經驗就會發現,這兩個值在選購耳機時,判斷耳機是否好“推”時,并不是每次都管用。那么這兩個參數到底有多少參考價值?為什么所有耳機產品都要列出這兩個參數呢?

首先,來簡單介紹一下現有耳機和行業測試方法規范下的阻抗的概念。

阻抗:即額定阻抗。該值一般代表在核定頻率范圍內達到最大功率時理想狀態下的最低阻抗值,因為留有余量,該值不應該高于最低阻抗值的20%。這套定義和相關測試方法,以動圈式耳機為參考。靜電式耳機、動鐵式耳機的阻抗曲線會隨頻率發生較大變化,測試和定義方法可能不同。從現有產品來看,可能會取1kHz或者某個頻率上的阻抗作為額定阻抗。

以上定義其實進一步去思考就會發現有很多點需要解釋。首先,我們稱之為阻抗,說明無論何種原理的揚聲器,它不是純電阻電路。在具有電阻、電容和電感的電路里,對電路中電流起阻礙作用叫做阻抗,單位為歐姆Ω。

其中R為電阻,ωL為感抗,1/(ωC)為容抗。感抗是電感在交流電路中對電流所起的阻礙作用,容抗是電容在交流電路中對電流所起的阻礙作用。由于不是物理課,所以概念介紹到此為止。

雖然行業測試一般規定,無論在喇叭使用揚聲器還是耳機揚聲器上,阻抗都應該測試一個頻率范圍內最低值[20%偏差]。但似乎現在耳機的額定阻抗也均來取自1kHz頻率下的數值。也許是動圈、平板式耳機揚聲器的阻抗曲線相對平坦,它們很多會標注額定阻抗是在1kHz下得到的。而為了不給普通用戶帶來太多困擾,估計動圈式耳機也不會標注一堆阻抗值給大家參考。

阻抗曲線:對于耳機產品來說大家相對很少提到阻抗曲線,揚聲器的阻抗曲線是指揚聲器在輸入不同頻率訊號時表現出不同阻抗值的“阻抗/頻率”曲線。由于動圈式耳機揚聲器的阻抗曲線在20Hz-20kHz甚至更高頻率下都比較平坦,所以提到這項指標并不多。而在喇叭使用的揚聲器上,阻抗曲線是重要指標,一般它會在低頻附近有一個很大的凸起,隨后迅速回落[以第一個低谷作為額定阻抗],隨后隨著頻率的升高,阻抗可能有不同程度的升高。我們下面轉載了www.innerfidelity.com測試數據,幫助大家理解不同耳機阻抗曲線區別。Soomal正在籌備這套測試系統。[下面測試圖表轉載自www.innerfidelity.com]

圖片轉載自 http://www.innerfidelity.com/
圖片轉載自 http://www.innerfidelity.com/
圖片轉載自 http://www.innerfidelity.com/
圖片轉載自 http://www.innerfidelity.com/
innerfidelity將頻率和阻抗的變化關系,以及頻率和相位的變化關系的兩條曲線放在一個表格中。Phase的是相位/頻率曲線, impedance的是阻抗/頻率曲線。圖表中說600Ω輸出阻抗測試,是指音源輸出電平為0dBu下完成[電平概念,以后文章再談]。

這對我們玩耳機有什么啟發呢?

  • 第一,耳機的額定阻抗是一個通過比較法或者替換法等測試方法得到的某點的歐姆數。

    第二,動圈、平板、靜電、動鐵耳機的單元都會在有效頻率內[可以取20Hz-20kHz,也可以更高,例如50kHz]阻抗發生變化,而不是一成不變的。

    第三,動圈式耳機、平板振膜耳機、動圈耳塞的阻抗曲線相對平坦。但動圈式大尺寸揚聲器[喇叭使用]的阻抗曲線則遠不如耳機上的平坦。

    第四,動鐵單元的阻抗曲線非常夸張,單個動鐵單元覆蓋全頻帶時高頻阻抗會陡增。多單元動鐵,其實也是在改善這個問題,但仍然差別很大。

    第五,阻抗是一個復數,它與訊號頻率、相位都相關。

    第六,阻抗與外加電阻不能等同,尤其是阻抗曲線變化巨大的耳機,可能會帶來很詭異的聽感。

接下來聊聊耳機的靈敏度。

耳機的靈敏度:了解阻抗之后,我們來看看另一個與阻抗相關的值耳機的靈敏度。

耳機的靈敏度是指在指定測試條件下[IEC人工耳和不同耦合器件模擬人耳,或耳道],使用1kHz正弦波交流訊號,讓耳機達到1mW功率時,可以達到的聲壓級,單位是dB/mW。由于dB作為指數單位,必然后跟測試條件,對于很多普通用戶來說使用不便,我們在提到靈敏度時可能會省去mW單位。但很多耳機產品會非常完整的寫下dB SPL/mW @1kHz,或類似的寫法。可使用功率公式P=U^{2}/Z,求得U電壓值。其中P功率要求是1mW,即0.001W已知,即最大正弦功率。U為最大正弦電壓,Z是揚聲器額定阻抗。看上去和直流算功率的方法沒啥差別。

例如,一款耳機標明的額定阻抗為32歐姆,需要的電壓大概為0.179V[0.032平方根];150歐姆對應的就是0.387V。所以不同的阻抗值粗略的告訴我們一款耳機在達到它標稱的靈敏度數值的聲壓級時,所需要供電電壓的高低差別。

這里額外討論一個話題,就是為什么越來越多的手機可以號稱自己可以驅動600歐的耳機了呢?根據以上公式可以求得,如果耳機負載為600歐姆,那么需要供電電壓是0.775V,而根據行業測試標準以往模擬電平數字化標準時0dBu的定義,即600歐負載下達到1mW的模擬電壓的0.775V為0dBu[也是600歐的0dBm]。dBu,其實就是Soomal平時測評音效卡、手機、解碼器等產品時談到的輸出電平xxx dB。關于這個概念下次再談。而手機稱自己可以驅動600歐耳機,是指它可以提供0dBu,即0.775V的輸出電壓,并達到1mW的輸出功率。

耳機靈敏度參數對于我們使用、選購耳機有什么啟發呢?

  • 第一,目前頭戴耳機的靈敏度一般在100dB左右,小耳塞靈敏度很容易超過100dB。而我們一般人在安靜環境下聽音樂需要耳機達到的聲壓級在平均90dB-100dB左右。目前低于90dB靈敏度的耳機不多,低于這個值,再看看它的額定阻抗,基本知道它是否容易驅動了。

    第二,靈敏度和額定阻抗是一組相關參數,雖然都是某頻率點上的靜態指標,但也需要結合在一起來看。例如同為100dB靈敏度,阻抗是32歐姆和300歐姆,就有很大差別了。由于聲壓是指數單位,阻抗又要對應到開平方下的電壓值[為了得到1mW的功率指標],所以對于習慣線性關系的人腦來說,感覺不會那么準。

    第三,上文談到,揚聲器的阻抗會隨訊號頻率變化而變化,靈敏度也只是1kHz下達到1mW時的聲壓級,它只是一個快速、初步的判斷指標,所以有時候你會覺得這兩個參數與聽感好壞判斷幾乎沒有參考價值。對于耳機是否好推有定量的意義,阻抗低,達到靈敏度標注聲壓的電壓就更低;靈敏度高,自然在同樣輸入功率下,聲壓會更大。但這只是衡量聲音大小的指標,更何況還是1kHz單一頻率的。我們還要考慮它的阻抗曲線和眾多因素。

    第四,由于第三條說的內容,所以大家要警惕也可以理解為什么一些音源說可以驅動600歐甚至1000歐阻抗耳機,這是一種不嚴謹不負責的說法。

作為入門內容,本文涉及的資訊和知識點似乎已經有些復雜了。作為揚聲器如此復雜的電聲元件來說,并非以上一些參數就可以完全概括它的性能。頻率范圍、阻抗和靈敏度,作為耳機產品最常見的三個相關聲學參數,它起到的作用需要考慮到它的定義與測試條件。希望本文相關幾條提示對大家認識這兩個參數有所幫助。接下來的幾期內容,我們會聊聊輸入輸出中的電壓、電平和信噪比指標的定義和用途。

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