谈谈耳机阻抗与耳放推力、增益、音效等问题

【科普向长文慎入】谈谈耳机阻抗与耳放推力、增益、音效等问题（5.20内容更新） [复制链接] real911 电梯直达 1楼 发表于 2017-3-12 01:31 | 只看该作者 |只看大图 本帖最后由 real911 于 2017-5-20 17:11 编辑 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 收藏42 分享 回复 使用道具 举报 flyingf 来自 50楼 发表于 2017-3-13 15:21 | 只看该作者 本帖最后由 flyingf 于 2017-3-13 16:32 编辑 Edward_Wang 发表于 2017-3-13 00:33 提一个问题：手机在电流和电压能力上都不及耳放，为什么还能推大阻耳机到类似响度（功率）呢？ 樓上講的基本上是正確的，耳機組抗在盒子上有標示，但這只是示意，就大概大概， 實際上阻抗在不同頻率下都不一樣，阻抗差異有些會大到一倍以上， 而你去看耳機頻率響應曲線時你會發現大部分低頻超低頻通常是衰減的狀態， 表示同樣的功率發出的聲壓小，然後阻抗在低頻的時候也可能會比較低， 所以當手機提供的功率也許在某些頻率上能推的夠響， 低頻 (要看個別耳機參數)， 事實上受限於手機的電流輸出能力， 用公式去算的話 P=Irms^2*R , 電流可能輸出已經不足, 造成電壓 clipping 削頭, 聲壓不足, 失真增加等現象。 這種現象在音樂中的表現，真的要看音樂種類跟削頭多嚴重，音量越大越嚴重， 音樂當中樂器很多，每種樂器都有自己的基頻、泛音、共振造成的音色， 樂器多或音樂吵雜可能比較不明顯，但如果音樂本身不凌亂有辦法辨識樂器， 低頻的大提琴或鼓聲那種或是獨奏基頻低的可能就削掉了，你可能就會聽出來樂器本身音色的惡化， 或是鼓聲不飽滿、、沒彈性、破掉、控制不好之類的。 不過還是要看音樂的類型，因為人類的注意力只能同時注意最多七到九件事情， 如果注意力在人聲或其他聲音或事情上面，可能不會去注意到聲音的瑕疵， 注意到的人聽覺要不很靈敏，不然就是對聲音很講究的人(Pixel Peeking)。 最重要的還是要看耳機的靈敏度、阻抗，靈敏度高的耳機功率需求少， 這種狀況比較不會發生，你如果拿靈敏度低的來測試，就很明顯了。 回复 使用道具 举报 flyingf 来自 51楼 发表于 2017-3-13 16:20 | 只看该作者 adolescent 发表于 2017-3-12 23:46 怎样判断一个耳放的最佳电器状态？ 要看設計者的設計哲學，電位器影響最大的是噪聲表現跟直流飄移還有串擾， 一般為了安全因素耳放比較少直流耦合，會用電容隔開，串擾也是讓設計者煩惱就好了， 噪聲的部份就比較複雜一點。 簡單來講，主動元件(運放)有噪聲，被動元件也有噪聲(電阻)， 一般耳闊的架構就是電壓放大然後電流放大， 放大倍率越大，噪聲會等比放大， 比方電壓放大級前面有一個單位的噪聲， 高增益放大十倍， 那電壓放大級前面的噪聲就被放大十倍了(非常簡化的講法), 所以一般設計上是兩權相害取其輕， 電位器如果再中間是最適音量，好處就是音量大小比較好調節， 缺點就是放大器實際上放大器倍率餘裕度太多，有多餘的噪聲跟失真被放大。 另外一個致命的缺點，當電位器在中間的時候，是兩個電阻並連時等效阻值最高的時候， 這個等效阻值對於運放來講是輸入串連電阻，這個電阻本身有熱噪聲而且對運放影響是最大的， 通常都遠高於運放本身的噪聲，然後這個噪聲看是放在放大器的哪個位置， 如果是在電壓放大級之前，表示噪聲會一起被放大， 所以如果耳放用的主動零件是超低噪聲的高級料子閃亮亮， 實際上出來的聲音已經是嚴重劣化的地攤貨了，這個是很常見的設計。 一般耳放設計者如果有自己的設計哲學，然後沒有提到這個， 應該是在任何位置都不會影響聲音，或是完全沒有注意到這些東西。 對使用者來講，我不知道你用的耳放噪聲大概在哪個程度，我會建議你不需要過度的放大， 讓音量保持在八九成應該是最好的(沒有多餘不必要的放大倍率)，如果聽不出來底噪，在中間或是左下也沒關係， 因為聽不聽的出來除了耳放包含前端的底噪之外，還關係到耳機的阻抗跟靈敏度， 阻抗越低，靈敏度越高的耳機越容易受到噪聲的影響，而熱噪聲高頻越高越多， 表現出來的形式可能是聲音的高階泛音、或是通透程度會受到影響。 測試最簡單的方法，耳放切高增益檔位，然後輸入短路，用便宜的低阻高靈敏度耳機去聽， 轉電位器到中間的位置看看聽不聽的出絲絲聲，還有絲絲聲在哪個位置最高， 都聽不到黑成一片的話表示耳放設計不錯，有到標準，絲絲聲位置高的地方表示是耳放電位器最差的地方， 有些設計不良的還會出現嗡嗡聲, 跟用的運放多高級沒關係, 這通常是地線沒走好造成的。 注意沒有三用電錶可以測量耳放直流輸出的話不要用好的耳機去測試，高增益檔位如果耳放沒有處理好， 會有直流輸出可能會燒耳機。 這是我做了一堆耳放之後的心得，你實際使用上還是要看你聽的音樂有沒有受到影響， 一般耳放就算設計有小瑕疵，底噪也應該壓在遠低於最低的環境噪聲才是。 回复 使用道具 举报 real911 来自 64楼 楼主| 发表于 2017-3-14 12:51 | 只看该作者 本帖最后由 real911 于 2017-3-14 12:56 编辑 再来补充一下不同音量下耳机的三频听上去有些不一样的原因 1. 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。而一个比较负责任的指标标注，应该指“在该放大器的最大不失真功率下测量的指标”，而一些厂家为了回避大功率输出下放大器特性的劣化，使得该指标“看起来好看”，往往采用的是“标准测试方式”，也就是说，在给定放大器放大倍数（增益）的条件下进行测试，而这个放大倍数通常是1。显然，多数放大器是用来“放大”的，所以这个测试方法实际上并不全面，但是“出于商业目的和测试标准的允许”，这个测试仍然被认为是“正确”的。这样，我们就应该注意了，看指标的时候不能只关心那些数值，而应该和测试条件联系起来看。没有测试条件的指标是毫无意义的。 2.声音的特性还有一个响度与分贝的关系，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。 耳机设计中，有经验的耳机调音师会将低频、高频的分贝调的略高一点，使低频与中频2000-5000Hz的响度一样，这样就听起来比较平衡。而在耳放的音量设计上，跟响度和声强都没有直接关系，最直接的关系是人耳的听觉阀度；在小音量的时候，人耳对声音的变化非常敏感，一点很小的声音变化都非常明显，当音量逐渐增大，敏感度下降，需要增大很大的音量才能让听觉感觉到明显的增加；所以，专用的音量电位器属于对数型的，也就是说，从最大阻值开始的变化是非常小的，后面的变化越来越大，基本上一个专用的音量电位器在中间位置的时候，它的阻值才变到最大阻值的30%左右而不是50%。 回复 使用道具 举报 real911 来自 94楼 楼主| 发表于 2017-5-20 17:10 | 只看该作者 5.20更新： 分贝相关资料 人们常常以为dB分贝单纯是一种音量大小计量单位，其实不然，这只是dB在日常生活中最常见的一种体现。dB分贝其实是反应实际值与参考值的比例倍数关系，公式是？dB=n*lg(实际值/参考值)，当dB需表现的是声功率或电功率比值时，n=10；当dB需表现的是音量大小（声压级）或电压、电流之比时，n=20； 这样说来要理解dB既容易又不那么容易，我们先来回顾一下高中数学吧： 把一个正数用科学记数法表示成一个含有一位整数的小数和10的整数次幂的积的形式然后取常用对数 如：lg200=lg(10^2*2)=lg10^2+lg2=2+0.3010 lg20=lg(10^1*2)=lg10^1+lg2=1+0.3010 lg0,002=lg(10^(-3)*2)=lg10^(-3)+lg2=-3+0.3010 使用对数来表示分贝的好处不少，第一，把原本的计量单位从个位数1----到亿位数100000000甚至兆位数1000000000000的单位缩减了到了两位数三位数，书写上方便许多；第二，因为是常用对数的倍数，所以单位统一后可以直接加减，省去乘除运算的麻烦，分贝单位也只能加减，无法乘除；第三，符合人体的迟钝的听感了。 先说说声音大小（即声压级） 响亮度是声音或噪音的另一个特性。压强可以用来表示声音大小，压强大则声音大，压强小则声音小，但使用压强单位Pa帕斯卡非常不方便，因为生活中经常能听到从20微帕斯卡 (μPa)到2000000000微帕斯卡 (μPa)的声音，要写这么多位数太不方便，所以用dB来表示会更恰当。公式SPL=20*lg(实际值/参考值)，因为20微帕斯卡 (μPa)为人类可以听到的最小声音，所以规定为参考值，20微帕斯卡 (μPa)的声音大小即为0分贝。有趣的是，平时我们可能以为从0分贝提高到10分贝，与从10分贝提高到20分贝所增加的音量是一样的，但实际上并不是，10分贝利用公式算出来为63.244微帕斯卡，20分贝为200微帕斯卡，所以从10分贝提高到20分贝，增加了140微帕斯卡的压强，而从0分贝提高到10分贝，只增加了40多微帕斯卡的压强。 接着说说灵敏度 这个之前也说过了，挺好理解的，有两个不同的单位标准，分别为dB/mw和dB/Vrms。90dB/mw的意思是指负载1mw的功率时，耳机发出90分贝的音量。90dB/Vrms的意思是指负载1Vrms电压时，耳机所产生的声压级为90分贝。 再来说说左右声道分离度、动态范围、信噪比 这些基本都是描述有效信号功率的比重指标，所以也是用dB分贝来表示 左右声道分离度是指左声道的讯号串扰到右声道、右声道的讯号串扰到左声道的程度。从技术上讲，肯定是左耳朵不要听到右声道的声音，右耳朵不要听到左声道的声音为好，一般播放器能做到70dB左右的分离度，这是什么概念呢？通过公式运算，即会有一千万分之一的右声道的功率传到左声道，有一千万分之一的左声道的功率传到右声道。这个70dB的分离度是完全足够了的，你去听现场音乐会，坐在观众席中的分离度也只有60dB。 动态范围是指静音状态下的功率与最大不失真功率的比值，这个也就是测试器材输出的有效功率范围是多少，比较重要。像常见的DAC芯片可以将动态范围做到110dB-120dB的样子，如果是在100dB以下可能性能还是差的比较远了。 信噪比则是指噪音功率和信号功率的比值，这个基本上HIFI解码产品也能达到110dB以上，也就是说你大约能听到一千亿分之一的噪音讯号，不知道金耳朵是否能听得出这个。 最后再说说增益吧 平时我们在设备经常看到增益+XXdB或者-XXdB，这个dB分贝又是什么意思呢？这个分贝其实是指输出功率的倍数，用dB来描述主要是为方便加减计算。如果是从+0dB增益调到+5dB增益，即增加5-0=5dB的输出功率，通过公式5dB=10*lg(实际值/参考值)计算出，比默认输出功率增加了3.1622倍。