Что означает сопротивление наушников и как оно влияет на звук

Аналогия с электрическим сопротивлением проводника на примере резистора

Резистор — пассивный элемент, обладающий чисто активным сопротивлением. Реактивная составляющая комплексного сопротивления резистора равна нулю, так как соотношение между напряжением на резисторе и током через него не зависит от частоты тока/напряжения, а так же из-за того, что резистор является пассивным элементом (поскольку не содержит внутренних источников энергии). Если к его концам приложить некоторое напряжение U (подсоединить источник напряжения), то через резистор пойдёт электрический ток I. Если через резистор пропустить электрический ток I (подсоединить источник тока), то между концами резистора возникнет падение напряжения U. Резистор характеризуется электрическим сопротивлением, которое равно отношению напряжения U, к току I (см. закон Ома для участка цепи):

R=UI.{\displaystyle R={\frac {U}{I}}.}

Применение понятия «электрическое сопротивление» к реактивным элементам (катушка индуктивности и конденсатор) при постоянном токе приводит к тому, что:

сопротивление идеальной катушки индуктивности стремится к нулю:

если пропустить через идеальную катушку индуктивности некоторый постоянный ток I, то при любом значении I, падение напряжения на катушке будет нулевым:

U=;{\displaystyle U=0;}

R=UI=I=;{\displaystyle R={\frac {U}{I}}={\frac {0}{I}}=0;}

сопротивление идеального конденсатора стремится к бесконечности:

если приложить к конденсатору некоторое постоянное напряжение U, то при любом значении U, ток через конденсатор будет нулевым:

I=;{\displaystyle I=0;}

R=UI=U=∞.{\displaystyle R={\frac {U}{I}}={\frac {U}{0}}=\infty .}

Это справедливо лишь для постоянного тока и напряжения. В случае же приложения к реактивному элементу переменного тока и напряжения, свойства реактивных элементов существенно иные:

• напряжение между выводами катушки индуктивности не равно нулю;
• ток, протекающий через конденсатор, не будет равен нулю.

Такое поведение не может быть описано в терминах активного сопротивления для постоянного тока, поскольку активное сопротивление предполагает постоянное, не зависящее от времени соотношение тока и напряжения, то есть отсутствие фазовых сдвигов между током и напряжением.

Было бы удобно иметь некоторый параметр аналогичный активному сопротивлению и для реактивных элементов, который бы связывал ток и напряжение на них подобно активному сопротивлению в формуле закона Ома для постоянного тока.

Такую характеристику можно ввести, если рассмотреть свойства реактивных элементов при воздействиях на них гармонических сигналов. В этом случае ток и напряжение оказываются связаны некой константой (подобной в некотором смысле активному сопротивлению), которая и получила название «электрический импеданс» (или просто «импеданс»). При рассмотрении импеданса используется комплексное представление гармонических сигналов, поскольку именно в таком представлении одновременно учитывается и амплитудные, и фазовые характеристики гармонических сигналов и откликов систем на гармоническое воздействие.

Вид импеданса для разных видов наушников

В зависимости от аксессуара выделяют разные импедансы. Так, внутриканальным наушникам соответствует ровная кривая без каких-либо скачков. Показатели 16, 24 или 32 Ом не должны иметь отклонения для частот в районе 20 Гц – 20 кГц.

Полноразмерные динамические модели обладают очень неравномерным графиком сопротивления. Локальные возрастания возможны в части с низкими показателями частот, в области высоких — незначительные подъёмы.

Для некоторых динамических моделей гарнитур нет сильных резонансов или отклонений на графике. Однако при их выборе следует помнить, что улучшение одного параметра влечёт ухудшение другого.

Ортодинамические наушники имеют изодинамический тип УЗЧ. Их сопротивление всегда выглядит как прямая линия. Пользуются спросом фирмы Abyss, Oppo, Fostex

При выборе по этому критерию стоит обратить внимание на области с ультравысокими показателями частот. В некоторых моделях на графике в частях с МГц или ГГц импеданс может либо снижаться, либо стремиться к нулю

В таком случае работа усилителя будет некачественной.

Однодрайверные модели в одну категорию объединяет локальное возрастание в частях со значениями верхних средних частот от 1 до 3 кГц и в наиболее высокий подъем.

Возрастание кривой вместе с большими частотами обеспечивает чистоту звука, а работа усилителя в таких моделях не даёт искажений воспроизведения. В частях с низкими значениями частот показатели импеданса будут 8, 16, 24 или 32 Ом. На графике больше 500 Гц выражается в подъёмах.

В таких устройствах могут быть заявлены данные в 100 Ом на 1 кГц. Несмотря на это, такие наушники нельзя считать высокоомными. По данным специального прибора, оно может и вовсе не превышать 24 Ом.

Гибридные и многодрайверные аксессуары чаще всего имеют непостоянную кривую. Она может быть абсолютно любой. Значение просадки может быть до 4 Ом при заявлении в 100 Ом на 1 кГц.

При подборе наушников по сопротивлению к определённой технике следует знать максимальное напряжение, которое на выходе усилителя не дает искажения звучания. Обладая такой информацией, достаточно посчитать величину тока и фактическую мощность для наушников с различным импедансом и можно удачно выбрать подходящие наушники.

Разновидности аппаратуры в зависимости от значений сопротивления

Аппаратура относится к тому или иному виду, в зависимости от ее технических показателей. Наушники могут иметь разный частотный диапазон или чувствительность. Знание о сопротивлении ваших наушников может оказаться очень полезным. Наушники в 32 Ом могут звучать очень хорошо и исправно выполнять свои функции, равно как и высокоомные наушники.

Сопротивление наушников исчисляется в значениях Ом, по имени известного немецкого ученого.

В зависимости от того, в подаче какого напряжения нуждается гарнитура, наушники делятся на:

• Высокоомные;
• Низкоомные.

Полноразмерная аппаратура, накладные и большие наушники могут иметь следующие показатели:

• Сопротивление ниже 100 Ом для низкоомных наушников;
• Считая от 100 Ом, полноразмерные наушники являются высокоомными.

Внутриканальные наушники с маленькими динамиками, которые предназначены для удобного размещения в ушной раковине, имеют следующие виды значений Ом:

• Сопротивление достигает менее 32 Ом, что определяет наушники как низкоомные;
• У высокоомных внутриканальных наушников сопротивление обязательно больше 32 Ом.

В высокоомных наушниках сопротивление току выше, а значит, и звук получается чище и лучше. Выходное напряжение на стационарных приборах не ограничено так, как в случае с портативными девайсами. Поэтому хорошие высокоомные наушники можно эффективно использовать дома без потери качества звука. В это же время, мобильные устройства просто не создают достаточно напряжения, чтобы раскрыть звук в высокоомных наушниках.

Громкость задается сопротивлением и звуковым давлением. SPL, или звуковое давление, измеряется в децибелах на мВатт. Устройства с одним и тем же звуковым давлением при подключении к плееру с потенциалом в 1 вольт, могут выдать совершенно разное звучание. А зависеть оно будет от значения сопротивления.

Таблица кодов SMD резисторов и их значений

Какой вид импеданса у разных наушников?

Внутриканальные наушники

Большинство внутриканальных динамических наушников обладают ровной кривой импеданса и значение в 16, 24 или 32 Ом не имеют отклонений для частот от 20 до 20 кГц.

На графике по горизонтали указаны частоты, от 20 Гц до 20 кГц. По вертикали – сопротивление (в логарифмическом масштабе).

Полноразмерные динамические наушники

У полноразмерных динамических наушников довольно часто можно встретить неравномерную кривую импеданса, с локальным подъемов в области низких частот и небольшим подъемом в области высоких частот.

Сопротивление может быть равно 32 Ом без учета реактивной части (условно, это 0 Гц, измеряется любым универсальным мультиметром), но на практике может быть вдвое выше на определенных частотах.

Неравномерность (подъемы) могут указывать как на резонансы, так и на конструктивные особенности излучателя в данном корпусе наушников. Так, при измерении сопротивления, частота и величина подъема может сильно меняться от того, лежат наушники свободно на столе, или одеты на манекен (в этом случае внутреннее пространство наушников задемпфировано).

Изодинамические (ортодинамические) наушники

Формально, это идеальная нагрузка для усилителя, однако в области ультравысоких частот (мегагерцы и гигагерцы) у некоторых моделей сопротивление снижается и стремится к нулю. Такое коварство на стандартном графике не увидеть и с некоторыми усилителями это может привести к некачественному режиму работы.

Внутриканальные арматурные наушники

Едва предсказуемо выглядит импеданс у внутриканальных наушников с арматурным излучателем. Для однодрайверных моделей есть общая черта — всегда существует локальный подъем в области верхних средних частот (в районе 1-3 кГц) и в области самых высоких частот. Благодаря подъему в области высоких частот, большинство однодрайверных арматурных моделей «звучат чисто» в области высоких частот, т.к. в этой области частот усилитель дает меньше искажений.

В низкочастотной области обычно типовое сопротивление в виде 8, 16, 24 или 32 Ом. Выше 500 Гц начинаются подъемы.
В случае, если указано сопротивление в 100 Ом на 1 кГц – то это не означает, что наушники высокоомные, их сопротивление может быть и всего 16 Ом по показаниям мультиметра (в области низких частот).

Гибридные и многодрайверные наушники

Нельзя предугадать кривую импеданса для многодрайверных и гибридных внутриканальных наушников. Кривая импеданса может быть какой угодно выше 500 Гц. Просадка сопротивления может спокойно доходить до 4 Ом при заявленных 100 Ом на 1 кГц.

Общие выводы

• Сопротивление в реальности будет как на коробке, если наушники: Внутриканальные динамические или изодинамические
• Сопротивление в реальности будет как на коробке и обладать неизвестными подъемами, если наушники: Динамические накладные и полноразмерные
• Сопротивление в реальности НЕ будет как на коробке, если наушники: арматурные или гибридные

Зачем собственно это все знать? Иногда производители усилителей и плееров указывают, какое сопротивление наушников будет совместимо и на эту информацию полезно ориентироваться.

Если надо узнать реальное сопротивление у арматурных или гибридных наушников, то можно попробовать поискать результаты измерений в интернет. Методы измерения импеданса обычно дают единый результат и не зависят от ПО со стендом или измерительного комплекса.

Последовательное соединение

При последовательном соединении, согласно Закону Ома для переменного тока,
во всех элементах цепи ток будет общим I = U/Z, а значения напряжений на каждом элементе определятся пропорционально его сопротивлению:
на выводах резистора U_R = IR; на выводах конденсатора U_C = IX_C; на выводах катушки U_L = IX_L.

Векторы индуктивной и ёмкостной составляющих напряжения направлены в противоположные стороны.
С учётом отрицательного ёмкостного сдвига, общее напряжение на реактивных элементах U_X = U_L — U_C .
Пропорционально напряжению, получим общее реактивное сопротивление X = X_L — X_C .
Векторы напряжений на активной и реактивной составляющей импеданса имеют угол сдвига фаз 90 градусов.U , U_R и U_X представим в виде прямоугольного треугольника напряжений с углом сдвига фаз φ.

Тогда получим соотношение, согласно Теореме Пифагора, U ² = U_R² + U_X² .
Следовательно, с учётом пропорциональности элементов R, L, C значениям напряжений на их выводах,
определим импеданс, который будет равен квадратному корню из суммы квадратов активного и реактивного сопротивлений цепи.

X_L = ωL = 2πfL — реактивное сопротивление индуктивности.X_C = 1/(ωC) = 1/(2πfC) — реактивное сопротивление ёмкости.

Угол сдвига фаз φ и его дополнение до 90° δ
определятся тригонометрическими функциями из треугольника сопротивлений с катетами R, X и гипотенузой Z, как показано на рисунке:

Обычно, для облегчения расчётов, импеданс представляют в виде комплексного числа,
где действительной его частью является активное сопротивление, а мнимой — реактивное.
Для последовательного соединения импеданс можно записать в комплексном виде следующим образом:

Z = R + jX

Тогда в тригонометрической интерпретации модулем этого числа будет импеданс, а аргументом — угол φ.
В соответствии с формулой Эйлера, запишем показательную форму комплексного импеданса:

Z = |Z|ejargZ = Zejφ

Отсюда активная составляющая импеданса R = Zcosφ
Реактивная составляющая X = Zsinφ.

Какое лучше выбрать?

Показатель импеданса наушников зависит от того, в сочетании с каким оборудованием будут работать эти акустические девайсы. Например, для обычных стационарных устройств подходят аудиоаксессуары с рекомендуемым сопротивлением в 120-150 Ом. А для телефона, планшета и плеера подойдут значения намного меньше, всего 16-40 Ом.

Для компьютера, музыкальной системы нужны полноразмерные высокоомные наушники с сопротивлением до 120 Ом. Это приборы с выходным напряжением больше 4 В. Такое большое значение могут выдавать только стационарные аппараты, подключенные к электросети. Поэтому для связки с ними следует подбирать аксессуары с соответствующим импедансом.

При высоком выходном напряжении (больше 200 мВ) лучше подобрать «уши» с низкой чувствительностью, с уровнем сопротивления от 32 Ом. Они меньше тратят электроэнергию. Для успешного функционирования высокоомных аудиоаксессуаров требуется специальный усилитель звука.

В устройствах небольших размеров выходное напряжение в основном не превышает 1 В, поэтому и импеданс в наушниках не должен быть высоким. В противном случае звук станет тише. По такому же принципу можно определить, какой импеданс нужен для смартфона. Согласовать аудиоаксессуары с источником может помочь правило 1/8. Оно предполагает, что уровень сопротивления источника на выходе должен быть в 8 раз меньше импеданса в наушниках. Например 2 Ом к 16 Ом.

Но если нет возможности рассчитать, следует запомнить следующее.

• Низкоомные «уши» дают большую громкость, но снижают время автономной работы устройства. Они подходят для портативных устройств.
• Высокоомные гаджеты будут звучать тише, но более экономно расходовать батарею. Их лучше использовать в сочетании со стационарным оборудованием.

Здесь стоит решить для себя, что в приоритете – желание наслаждаться звуком на большой громкости или экономно расходовать заряд. Для выбора подходящих наушников нужно учитывать наивысший уровень напряжения, от которого зависит выходная мощность устройства (закон Ома). То есть при увеличении громкости напряжение на выходе будет расти, и ток будет расходоваться в зависимости от сопротивления нагрузки. Согласно этой формуле можно сделать расчет. Чтобы узнать, какой импеданс требуется для устройства, можно попробовать найти оптимальный показатель вслепую. Нужно просто послушать звучание на средних параметрах и подвинуть значения Ом в нужную сторону.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Напряжение и ток

Чтобы понять, что такое импеданс важно иметь хотя бы общее представление о напряжении и токе. Вольтаж аналогичен давлению воды, в то время как ток является аналогом потока воды (например, галлонов/минуту)

Если вы пустите воду из вашего садового шланга без насадки, вы получите большой поток воды и сможете быстро наполнить ею ведро, но давление у края шланга при этом будет практически равно нулю. Если же вы воспользуетесь небольшой насадкой, давление (напряжение) будет значительно большим, но поток воды уменьшится (потребуется больше времени, чтобы наполнить то же ведро). Эти две величины связаны обратной зависимостью. Высокое давление обычно соответствует малому потоку, и наоборот. То же самое справедливо и для напряжения/тока.

Насадки для шланга

Грубо говоря, импеданс аналогичен размеру насадки для шланга. Высокоомные наушники подобны узкой насадке. Чтобы получить больше воды, необходимо более высокое давление (напряжение). Низкоомные же наушники скорее соответствуют случаю наполнения ведра без насадки, требуя больший поток и не слишком высокое давление. Большая часть выходов под наушники хорошо годится либо для первого, либо для второго случая, но не для обоих

Потому важно знать, с чем вы имеете дело, и соответствующим образом подбирать наушники

Измерение импеданса

Вы не можете измерить импеданс наушников с помощью цифрового мультиметра (хотя многие тщетно пытаются). Чем больше реактивная составляющая импеданса, тем менее точными будут такие измерения, так как мультиметр измеряет лишь активное сопротивление на постоянном токе — R, не импеданс Z. Сопротивление на постоянном токе практически всегда меньше, чем импеданс на переменном. В то же время измерение импеданса с помощью переменного тока даёт значение лишь для одной конкретной частоты, потому лучше всего построить зависимость импеданса от частоты в виде графика. Для выполнения этой задачи необходимо специальное оборудование, которое может отслеживать одновременно и ток, и напряжение в пределах всей полосы звуковых частот. Лично я использую Prism Sound dScope.

Импеданс может меняться

Теоретически все пассивные наушники (не содержащие какой-либо электроники с собственным питанием) имеют импеданс, изменяющийся в зависимости от частоты. Как было сказано выше, они ведут себя не так, как обычное сопротивление, на которое бы мы подали звуковой сигнал. Кривая окрашенная в золотой цвет на графике ниже отражает импеданс (в омах) внутриканальных наушников Ultimate Ears SuperFi 5 Pro. Вы можете видеть, что импеданс соответствует заявленным 21 Ом лишь на частотах ниже 200 Гц. Он возрастает до 90 Ом примерно к 1200 Гц и падает до 10 Ом к 11 кГц:

Фаза

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 напряжения и тока. Чем больше фазовый сдвиг, тем больше реактивная составляющая нагрузки. Как правило, чем больше фазовая задержка, тем труднее управлять нагрузкой. Белая кривая на графике выше изображает фазовую задержку в градусах. Обычный резистор имеет практически нулевую фазовую задержку во всем диапазоне звуковых частот.

Что насчет обычных затычек?

Подавляющее большинство динамических (не арматурных) наушников-затычек, имеющих разумную цену, обладают номинальным импедансом 16 или 32 Ом, причем реальные значения отличаются всего на 1-2 Ом. Вот распространенные Sony MDR-EX51, имеющие в большей части диапазона импеданс 17 Ом, с подъемом до 18 Ом на их резонансной частоте 5 кГц:

А вот 300-омные Sennheiser HD 650, импеданс которых изменяется от 305 до 530 Ом:

Информация от спонсора

Компьютерная служба «Позитив»: профессиональный ремонт и настройка устройств под управлением Android. Здесь Вы можете быстро и недорого произвести настройку Android. Гарантия качества.

Сколько Ватт в 1 Ампере и ампер в вате?

Чтобы перевести Ватты в Амперы при переменном или постоянном напряжении понадобится формула:

I = P / U, где

I – это сила тока в амперах; P – мощность в ваттах; U – напряжение у вольтахесли сеть трехфазная, то I = P/(√3xU), поскольку нужно учесть напряжение в каждой из фаз.

Корень из трех приблизительно равен 1,73.

в одном ватте 4,5 мАм0,083 Am при 12 вольтах

Когда же необходимо перевести ток в мощность (узнать, сколько в 1 ампере ватт), то применяют формулу:

P = I * U или P = √3 * I * U, если расчеты проводятся в 3-х фазной сети 380 V.

А значит, если имеем дело с автомобильной сетью на 12 вольт, то 1 ампер — это 12 Ватт, а в бытовой электросети 220 V такая сила тока будет в электроприборе мощностью 220 Вт (0,22 кВт). В промышленном оборудовании, питающемся от 380 Вольт, целых 657 Ватт.

Таблица перевода Ампер – Ватт:

Некоторые разновидности

Помимо акустического импеданса выделяют также удельный и механический импедансы, обозначаемые как Z1 и ZM, общая формула отображающая их взаимозависимость выглядит следующим образом: ZM = SZ1 = S2Z/

Рассмотрим подробнее вышеуказанную формулу.

Как в элементарной математике, под S здесь понимается площадь пространства, в котором распространяются звуковые волны. Остальные переменные имеют те же значения, что и в формуле определения величины акустического импеданса.

В случае с механическим импедансом, его значение рассчитывается как отношение величины силы к показателю средней колебательной скорости на конкретно взятой площади.

С данным понятием тесно связано понятие «удельного акустического сопротивления». Под данным понятием понимается величина равная отношению звукового давления к колебательной скорости.

Данное понятие было введено по аналогии с электрическим сопротивлением, когда было открыто, что электрические заряды и частицы среды имеют одинаковую скорость движения в случае электрических зарядов, и скорости колебаний – в случае частиц внешней среды.

Сопротивление в 4 Ом

Если значение на динамике указано 4 Ом, то к нему можно подключать усилитель от 4 Ом и больше. В этом случае нет риска, что он испортиться спустя какое-то время от перегрузок. При этом, чем больше будет показатель, тем тише будет звук.

Частый совет, который можно встретить, таков: по возможности лучше использовать двукатушечный динамик, у которого каждая катушка имеет импеданс в 4 Ом. В этом случае всегда есть несколько вариантов использования такого динамика. При параллельном подключении к усилителю: 4*4/4+4=2 Ом, при последовательном: 4+4=8 Ом и при использовании только одной катушки будет получено значение в 4 Ом. Так можно получить различные варианты сопротивления и использовать один и тот же динамик в связке с различными усилителями.