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谈谈耳机阻抗与耳放推力、增益、音效等问题
文章来源:永阜康科技 更新时间:2018/9/17 11:00:00

很多人对于播放器推力大好不好、耳机高阻好不好等问题还比较纠结,所以今天想来谈谈这些耳机阻抗与耳放(随身播放器)推力、增益、EQ等相关问题。

声音的特点

声音的本质是声波,它的传播会遵循波的特点,会反射、衍射和折射。我们首先来了解下声音的特性,这非常重要:

(一)响度(loudness):人主观上感觉声音的大小(俗称音量),由“振幅”(amplitude)决定,振幅越大响度越大。与分贝不同。分贝是人可以区分的最小的声音响度的级差,而响度是人耳朵对于声音强弱的主观感觉,人们对响度的敏感程度不一样,所以是将很多人的主观感觉相综合的平均值。另外人们对于相同分贝但不同频率的纯音听起来感觉响度不同,所以有等响曲线这个东西,人耳对于2000-5000Hz的频率敏感的多。比方说,对我们一般人类,50分贝100Hz的纯音和40分贝1000Hz的纯音听起来一样响。所以把耳放、播放器音量调大、调小,每个频率的响度给你的感觉就会产生变化。下图就是等响曲线。

而分贝作为客观描述声音的参数,同样有参考意义:130分贝 喷射机起飞声音,110分贝 螺旋浆飞机起飞声音,105分贝 永久损听觉,100分贝 气压钻机声音,90分贝 嘈杂酒吧环境声音,85分贝及以下 不会破坏耳蜗内的毛细胞,80分贝 嘈杂的办公室,75分贝 人体耳朵舒适度上限,70分贝 街道环境声音,50分贝 正常交谈声音,20分贝 窃窃私语。

(二)音调(pitch):声音的高低(高音、低音),由“频率”(frequency)决定,频率越高音调越高(频率单位Hz(hertz)赫兹,人耳听觉范围20~20000Hz。 20Hz以下称为次声波,20000Hz以上称为超声波)例如,低音端的声音或更高的声音,如细弦声。我的辩音范围是20-19000Hz左右,已经有点退化了。一般耳机都会有频响曲线,如下图,曲线越平直就越趋近于真实的回放。逼侧的黄色曲线就是明显低频失真了。一般频响曲线要结合等响曲线一起看,大多数耳机设计调音时频响在1000-5000Hz会有低谷,5000-10000Hz有个波峰,这是因为人对于1-5kHz的声音特别敏感,对高频声音却不那么敏感。这样调音三频才会比较平衡,不过由于个体差异,对三频的敏感程度各不相同。

耳机算是整个高保真回放系统中失真最大的部分了,高保真转盘、解码、耳放失真都挺小的。下面是各种声源的频率范围

(三)音色(music quality):音色是由于发音体的材料性质、结构形状、发声方式、及其泛音的多少等不同方面来决定的。歌手的声音都比较独特,具有很强的辨析度,这是因为音色不同,而模仿秀则是模仿歌手发声的振动方式、基音、泛音,歌唱出极其相似的声音。而有的艺术家甚至可以模仿乐器的音色(beatbox)。不同乐器能发出涵盖相同频率的声音,但我们仍然可以辨别出不同的乐器,这是音色使然。但耳机、音响可以非常好的模仿发出世间各种声音,因为其接收到准确信号后还原了各种声音的波形,形成回放(playback)。

如果你是学音乐的话,声音的特性则是四项,多了一个声音长短(时间)。

耳机如何工作?

动圈耳机为例,耳机中有永磁体,有振膜和线圈。电信号流经线圈,与永磁体间产生吸力或斥力,带动振膜正向或负向扇动,形成声波。振膜动的频率快,即是高音;动的频率慢,即是低音。扇动的幅度大,便是大声,幅度小即是小声。

为什么一个振膜可以同时发出几个不同位置、不同的乐器和人声的声音?

空间感、位置是基于左右声道传入耳朵中的时间差、还有反射衍射等大脑进行综合判断后的结果。而不同的乐器、人声有不同的声音频率,从实质上讲高低频仍然是声波,借用一张图片来说明

如果去听现场音乐会,虽然有a和b两种乐器,但人耳的鼓膜听到的音乐形成的振动会是C波形,但大脑仍能还原出a和b两种乐器单独的波形。同理,动圈耳机播放古典音乐会,耳机振膜产生的波形就是C,但多动铁耳机则分频器把高低频声音分开,指挥每个单元播放某个频段的声音,多个单元通力合作,同时工作产生了多个波形,再到鼓膜上汇聚成一个C波形。

耳机阻抗是否越大越好?

我们先谈一下耳机的阻抗和灵敏度,阻抗是存在于交流电中的,为什么是交流电而不是直流电,因为线圈会根据电流方向向着永磁体做正向或者负向运动,带动振膜产生声波。阻抗不是电阻恒定不变,但也遵循Z=U/I的计算公式。对于动圈耳机而言,提高耳机的阻值,降低耳放的输出内阻,都是为了让耳机吃到更多(或更合适)的电压电流,从而充分的驱动耳机。另一方面大阻抗往往是为了减小分割振动的影响,设计制造多轨大线圈(也增大散热面积,使耳机没那么容易烧机)造成的,更容易提高对振膜的控制力,降低弱信号的失真。下图为振膜发出不同频率时的运动状态。

低阻耳机由于阻抗小,容易得到较好的功率,发声容易,像812、TH900那种磁通量很大的单元,小推力下也还不错。但容易过推,或者无法进入耳放最佳的音量位置里,不能在耳放最佳电气状态的推动下施放功力,高频刺耳,有用力过猛的感觉。

而灵敏度则是指向耳机输入1毫瓦的功率时耳机所能发出的声压级。高阻耳机是阻抗高,不容易产生大电流,所以不容易出声,而低阻低敏耳机是虽然有了不小的电流,但就是不灵敏,声音很小。低阻低敏多是平板像HE6,不过LCD4倒是灵敏度不低了。

对于大部分耳放来说耳机阻抗高已经不是问题了,提高电压便是,却解决了大部分的难题,声音也相对比较稳定。阻抗低,容易推响,但对耳放设计者来说提高耳放控制力比提高电压难度大得多。所以对动圈来说还是高阻好。当然现在FOCAL都已经出了低阻动圈旗舰,相信这些问题现在也不是非常困扰的因素。

耳放的推力越大越好吗?

虽然对于高阻耳机来说,插手机也能推到正常听音大小(即耳机在手机上吃到的功率还是会同在国砖上吃到的功率一样),其实一般耳机的灵敏度吃到1mw的功率便能有90多分贝的声音,接近气压钻机的声音大小了。但1.手机开大音量时其放大芯片失真率很高了,2.功率虽然够了,但关键的电流小了,低中高频都会平平淡淡,没有力气,推不开。所以国砖都比较推崇大推力,还要几档增益,这样才受欢迎。下图是两款耳放的输出电流的比较,绿色的耳放电流输出能力受限,被削峰了,音质会受影响,手机更是如此

推力大固然好,推力大是指的上限推力大,而不是起始推力大。所以国砖的功率该小的时候能小(推低阻耳机时开小音量),该大的时候也能大(推中高阻耳机时开大音量),高低阻通吃?

其实还有不失真最大功率这个概念,一般指放大线路谐波失真THD在0.1%以下的最大功率,像SONY D100音量旋钮转到头耳朵肯定爆了,但是那个音量你根本不能开很大,因为稍稍大一点就失真了。AK的机器也是推力秀气著称,也是同样的问题,音量开大了就会失真,但推推普通塞子绝对不会失真的。

接着来说说输出功率是怎么来的,DAC芯片对于歌曲解码后,DAC芯片输出信号电平会有一个放大倍率,DAC的信号直接放大是不失真的,玩过的LYRA、HILO、金老婆里调节的输出增益是调节DAC的放大倍数(HILO也可以调节其他增益,可玩性非常高),一般来说DAC输出的标准电压信号是2Vrms。另外耳放、放大电路会将电压放大、电流也放大(不过一般后级才放大电流,这也说明了一般耳放难以推动HE6,必须有后级功放大电流才好驱动),大多数的播放器高增益选项也是在放大电路里起作用,增加电压摆幅。最后的音量调节旋钮(电位器)便是一个可变电阻,控制音量衰减幅度,看看C4,这个可变电阻就跟高中物理实验中用到的很像。

一般来说,设计师会把耳放或播放器最佳的电器状态设置在20%-50%音量之间(也有例外,享声M1PRO则是在90%以上),如果你插上耳机,正常的听音音量刚好落在这个范围内,那就是极好的(高低增益的设计一部分就是这个原因,低阻耳机用低增益可以落在这个范围内,但高阻耳机用低增益则远远超出了这个范围,而使用高增益刚好又可以落在这个范围里了)。这样大推力的耳放对低阻高敏耳机就有点不友好了,因为可能只用5%的音量就已达到正常音量大小,这时加阻棒效果会好点儿。另外推力太大会导致底噪声,其实就是耳机中电流过高引起的。

DAC的信号直接放大是不怎么损伤音质的,但放大线路中用运放三极管二极管等放大方式虽然提高了功率,但也会将噪音讯号放大,所以增益也要慎用。

为什么播放器开小音量和大音量下,同一副耳机的听感不一样?

音量旋钮调大,并不是简单的像你想象的那样只把耳机响度调大了,耳机的三频也跟着有了些许变化,为什么?1、耳机放大器在不同的输出功率下,其频响是不同的,通常输出功率越大,其频响指标就越差。而且这种变化有时并不是线性失真,有时低频放大了2倍,但高频可能只放大了1.8倍。2、而耳机由于其自身的负载特性、阻抗的不固定性,频响曲线在不同的测试环境中也不一样。3、前面所提到的等响曲线的存在。这些因素都导致了同一副耳机在小音量和大音量时听感不一样。正常情况下,我们还是适宜把音量开到正常的听音音量,把增益调到适宜的档位。

另外高频在空气中的衰减比低频厉害得多,不信你开大音量,再把耳罩拉远一点,看看还刺耳不。所以顶尖的耳机为了有效控制高频会把单元拉的离耳朵远一些,像RS1那样的贴耳的单元高频就很爆炸,而高保真的箱子不进行特殊的设置高频绝对不会刺耳,所以高端箱子对于耳机来说确实更保真一些。

器材在同一平台上进行比较究竟科不科学?

往往我们要AB两个耳机,就搬出一套前端,把两只耳机来回插在这套前端上,比较两者的声音,这究竟科学吗?

我认为这是不科学的,就是站在同一起跑线上,会出现一个问题,阻抗不同,灵敏度不同的耳机插在相同前端的时候,吃到的电流不一样了,这样就导致有可能a耳机(低阻耳机容易出现此情况)高频过了,低频刚好。但b耳机(高阻)插在相同前端,低频刚好,高频也刚好,三频均衡。这样大家就会觉得b耳机好。但是如果有人专为a耳机设计一款输出功率相匹配的耳放,情况就不一样了,a耳机就会高低频都不错,三频均衡,但b耳机因为阻抗过高,低频不受太大的影响,但高频衰减程度大,就会觉得三频不均衡。这样就觉得b耳机不如a耳机。所以使用同一平台来进行同场PK,往往有一方更吃香。同时也没有什么耳放是万能的,能推好很多个不同参数的耳机。

我非常希望像farrel一样,什么耳机都能用上最好的前端去PK,只可惜口袋中的金钱不同意啊,放上F壕的一张图片

EQ究竟靠的住吗?

EQ是用来调节音效的工具,音频工作者为了得到监听的效果,使耳机的频响曲线变得直一点,会对EQ进行相应的调节,最终达到他们的目的,应该说来是个好东西。下图是传统的EQ均衡器,每一个频域由一个电位器控制。

现在EQ则是通过DSP算法来改变相应频域的声音,按理来说除了改变该频域的响度大小外不应该有其他的改变的(量感),但实际情况却改变了原本音乐中太多的要素,不是音乐录制者所希望传达给听众的原始声音了。

见下图飞傲X7的EQ调节,我将所有的频域(每高八度即频率翻倍)都统一调到+6db,这里你简单看成+6分贝音量吧,按理说这个EQ效果就是音量调小6db时也获得打开EQ之前相同的听感,而且31Hz以下和16000Hz以上应该是明显的滚降,实际却是低频量增加了,高频也明显变亮了。因此我不太相信这些播放器的数字EQ算法了,不过相应的调节临时弥补下听感还是可行的。

最后感谢下我发烧路上不厌其烦教导我的朋友老师们,非常感谢你们



 
 
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