Какая мощность нужна вашему УМЗЧ?  (продолжение)

Чувствительность телефонов. На коробке, куда упакованы новые наушники, вы прочитали: чувствительность 120 дБ. Или SPL = 120 dB. Что это значит? А ровным счётом ничего, потому что не сказано, в каких условиях эта цифра получена. Можно лишь догадаться, что это есть уровень звукового давления (SPL – Sound Pressure Level), по сути, громкость, получаемая при подаче на наушники…чего-то, известного лишь Господу Богу и фирме-производителю. Вообще-то, по современным международным стандартам чувствительность измеряется при подаче на наушники либо напряжения 1 В, либо мощности 1 мВт со звуковой частотой 500 или 1000 Гц (в разных стандартах по-разному).

Следующий вопрос: как измерить громкость или SPL в слуховом канале человеческого уха? Сделать это на живом человеке, естественно, нельзя, особенно если он воткнул в уши «затычки». Для акустических измерений делают макет под названием «искусственная голова», а на всех фирмах «головы» разные…. Вот пример, взятый из рекламы в Интернет, где приведены технические данные, причем я выбрал самые чувствительные наушники:

  Таблица 2                                            http://www.thg.ru/video/obzor_akg_k451/

Технические характеристики наушников AKG K451

Тип наушников Накладные Тип подключения Проводные Диапазон воспроизводимых частот 11 – 29500 Гц Сопротивление 32 Ом Чувствительность 126 дБ/мВт Максимальная входная мощность 30 мВт

 

Их хвалят (рис. 6), цену (они) считают умеренной – порядка 3000 руб. Сообщают, что благодаря высокой чувствительности регулятор громкости плеера можно устанавливать близко к минимуму – наушники звучат громко, и это, разумеется, хорошо. Но вдумаемся в приведенные цифры (таблица 2) и сравним их с данными таблицы 1 из первой части статьи. При подведении электрической мощности 1 мВт наушники обеспечивают громкость 126 дБ – это выше болевого порога! А если подвести разрешённые 30 мВт? Получится на 10lg30 = 15 дБ больше, то есть 126 + 15 = 141 дБ. Недалеко до смертельного уровня и шумового оружия!

Кстати, последняя цифра 141 дБ соответствует чувствительности этих наушников при подаче на них звукового напряжения 1 В. Действительно, по закону Ома получаем ток через наушники: I = U/r = 1/32 = 0,03 А, и подводимую мощность Р = = U ^. I = 0,03 Вт = 30 мВт. Как видим, такая мощность для слуха убийственна.

Так какая же выходная мощность УМЗЧ плеера, приёмника или другого подобного «гаджета» или «девайса» реально нужна этим наушникам? Взяв допустимую норму громкости из СанПиН 90 дБ и добавив в уступку современной моде и на всякий случай ещё 6 дБ получаем 96 дБ – на 30 дБ меньше указанной чувствительности. На столько же децибел и выходная мощность усилителя должна быть меньше 1 мВт, т.е. Рвых = – 30 дБм, или 1 мкВт (один микроватт!).

Здесь мы использовали, возможно, новую для вас, но широко распространённую среди связистов и людей, работающих в области телекоммуникаций, единицу мощности – дБм, или децибел относительно одного милливатта:

РдБм = 10 lg Р(мВт).

Рис. 6

А теперь помечтаем: если бы наш УМЗЧ был спроектирован под эти наушники, и отдавал бы не десятки и сотни милливатт, как с гордостью пишут в рекламе, выдавая это за достоинство, а требуемые нам микроватты (с малыми шумами и искажениями, естественно), то и потреблял бы он, соответственно, в тысячу раз меньше энергии. Батареи прослужили бы во столько же раз дольше, например, не 30 часов, как сейчас, с вашим «кушающим» плеером, а 30 000 часов – это года три с половиной непрерывной работы! Вот это было бы настоящее счастье при прослушивании музыки (смотри рекламное фото рис. 7).

Полагаю, что радиолюбителям здесь есть, над чем поработать, и есть, куда стремиться. А на фирмы надежды нет – они никогда не откажутся от сверхприбылей, производя плохие УМЗЧ, «тупые» наушники, и в огромном количестве – батарейки.

Рис. 7

Раз уж мы упомянули связистов с их единицей мощности дБм, то не лишне заметить – под чувствительностью наушников они понимают нечто совсем другое (на мой взгляд правильное), а именно: минимальную мощность сигнала, при котором он еще «читается» в наушниках. Эту мощность неоднократно измеряли радиолюбители-связисты, в том числе и автор, для самых разных наушников, по старинке – телефонов. Вот результаты: наивысшей чувствительностью обладают телефоны с дифференциальной электромагнитной системой (по типу наших ДЭМ и ДЭМШ, а также старинного громкоговорителя «Рекорд» – большой чёрной «тарелки»): –88…–90 дБм для речевого сигнала и – 92…–94 дБм для телеграфного. На втором месте обычные электромагнитные телефоны с жестяной мембраной и пьезонаушники: –70…–80 дБм. И хуже всех по чувствительности ширпотребовские дешёвые «затычки»: – 60 дБм.

Почему надо измерять именно мощность, а не, скажем, подводимое к наушникам напряжение? Да потому что мощность – это работа в единицу времени, именно она определяет поток акустической мощности, т.е. громкость. А напряжение зависит от сопротивления звуковой обмотки – намотайте больше витков тонкого провода, получите высокоомные наушники, требующие большего напряжения, потребляющие меньший ток, но с той же чувствительностью.

Проверим по этому параметру уже разобранные нами AKG K451. Допустим, что они имеют отличную «связную» чувствительность – 90 дБм. Мысленно уменьшим подаваемую на них электрическую мощность до этого уровня, т.е. на 90 дБ. На столько же децибел упадет и громкость, она станет равной 126 – 90 = 36 дБ. Обратившись к таблице 1 в первой части, узнаем, что эта громкость лежит где-то между шепотом и тихим разговором на расстоянии 1 м, т.е. сигнал будет вполне разборчив. Можно даже полагать, что цифра 126 дБ/мВт несколько завышена.

Простой способ проверки чувствительности. Как радиолюбитель-связист, автор всегда интересовался наушниками высокой чувствительности. В иностранной печати наиболее чувствительные телефоны с механизмом типа ДЭМ или ДЭМШ часто называли «Balanced Armature» и «Sound Powered». Первое название понятно – якорь у них сбалансирован между полюсами магнита, отсутствует постоянное натяжение, как у наушников с жестяной мембраной и магнитом с одной её стороны, что повышает чувствительность (рис. 8).

Рис. 8

http://www.salmanashrafny.com/2011/03/balanced-armature-vs-dynamic-driver.html

Используя принцип сбалансированной арматуры (якоря), делают и высококачественные наушники, и даже «затычки» (рис. 9). Иногда для краткости их называют просто «арматурными». Вот, что пишут о них на сайте http://chelny-city.ru/1150893838-armaturnye-naushniki.html:

«Особенности конструкции … позволяют им добиться исключительно точного и качественного воспроизведении звука. Арматурные наушники широко используются музыкантами в профессиональной сфере деятельности, например, во время выступлений на сцене. В англоязычной литературе такие наушники часто относят к классу IEM – In-Ear monitor (мониторные вставные наушники). Основные преимущества арматурных наушников: низкий уровень искажений, высокая чувствительность, сбалансированная передача звука на всём диапазоне частот».

Рис. 9

Второе иностранное название ставило в тупик: Sound Powered – питаемые звуком. Почему они питаются, или приводятся в действие звуком? Ответ, «раскопанный» много лет назад, привел к раскрытию удивительной истории. Оказалось, что на английских и американских кораблях времен Второй Мировой войны (а возможно и на наших) существовала аварийная система связи, например, между мостиком и орудийной башней. Когда основная связь в бою была повреждена, из специальных шкафов доставали катушки с кабелем и разматывали его по палубе между необходимыми местами. Кабель с обеих сторон заканчивался наушником. Он же служил и микрофоном. Никаких батарей, вообще ничего лишнего! Так же иногда поступали и сухопутные военные связисты. А недавно мне рассказали, что два друга-радиолюбителя, живущие в одном доме, но на разных этажах, долго пользовались «телефоном», сделанным из двух капсюлей типа ДЭМ и отрезка телефонного провода, пропущенного по внешней стене дома из окна в окно (рис.10).

Точно таким же способом вы можете проверить чувствительность любых наушников, динамиков и акустических систем (АС) при отсутствии приборов, и даже товарища, помогающего в эксперименте. Соедините два наушника (динамика, АС) длинной двухпроводной линией, один поставьте (положите) рядом с работающим радиоприемником (годится любое устройство, издающее звук), с другим уйдите в другую комнату, закрыв дверь. Даже при отсутствии длинной линии можно залезть по одеяло, обложиться подушками, любым способом изолировавшись от прямого звука. В другом наушнике вы услышите звук, если наушники хорошие. Если же звук отсутствует, слабый и искаженный – остаётся вам только посочувствовать.

Этот же способ позволяет оценить и качество звуковоспроизведения. Вспомните звуковое сопровождение при передаче по телевизору фигурного катания. Ужасно, правда? Дело в том, что звук проходит через электроакустические системы не один раз, как обычно, а трижды: громкоговорители на катке, микрофон около видеокамеры, и динамик в телевизоре. Каждая система вносит искажения, которые суммируются. Итак, мы подошли к следующему разделу.

Другие параметры наушников. Часто смотрят на диапазон воспроизводимых частот. Для вышеупомянутых AKG K451 это 11 – 29500 Гц. Такая точность умиляет и вызывает доверие. Однако не сказано, какова неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), и при каком «завале на краях» получены эти граничные частоты. В сети мне так и не удалось найти ни этих данных, ни самой АЧХ. Зато попалась АЧХ на порядок более дорогих студийных наушников той же фирмы (рис. 11). Видим, что неравномерность достигает ± 12 дБ, а верхняя граница полосы частот по уровню – 12 дБ всего 20 кГц. Но этого достаточно, выше 16 кГц мы уже все равно не слышим! Да и в воспроизводимых программах эти частоты бывают редко. Радиостанции УКВ FM не передают частот выше 14 кГц, АМ – 10 кГц.

График АЧХ наушников AKG K 271 Studio – 104 дБ (1 Вольт rms)/55 Ом. http://prosound.ixbt.com/hardsoft/akg-k271.shtml              Рис. 11.

Чувствительность измерена при подаче 1 В (rms – эффективное значение). Ток при этом составит 1В/55Ом = 18 мА, и подводимая мощность 18 мВт (+ 12,5 дБм). Найдем чувствительность при подаче 1 мВт: 104 – 12,5 = 91,5 дБ/мВт – цифра гораздо более реальная, чем вышеприведенные 126 дБ/мВт.

Неравномерность АЧХ ± 12 дБ не должна удивлять – это нормально для электроакустических систем. В старых ГОСТах встречалось и ± 15 дБ. Опять вспомним фигурное катание по телевизору – троекратное прохождение звука через громкоговорители и микрофон может повысить неравномерность АЧХ даже до ± 45 дБ, а это уже разница между «очень тихо» и «очень громко». В результате одни звуки пропадают, другие превращаются в выкрики. Соответственно, возрастают и «завалы на краях», что приводит к отсутствию басов и верхов – звук становится «как по телефону».

Кстати, экспериментируя с двумя наушниками и линией (рис. 10), обращайте внимание не только на громкость, но и на качество звука – неравномерность АЧХ наушников здесь удваивается.

Следующий важный параметр – сопротивление. Среди строителей детекторных приемников бытует мнение, что высокоомные наушники чувствительнее. Это неверно, чувствительность определяется силой магнита и конструкцией механизма. Но выход детектора высокоомный (десятки килом), и чтобы он отдавал в нагрузку максимальную мощность, её сопротивление должно равняться внутреннему сопротивлению источника. Это известное условие согласования. Поэтому высокоомные наушники в детекторном приемнике работают хорошо, а низкоомные – нет. Положение может исправить трансформатор, преобразующий ток и напряжение в N раз, а сопротивление, соответственно, в N² раз. Проходящую же через него мощность хороший трансформатор (с малыми потерями) практически не изменяет.

Большинство выпускаемых наушников – электродинамические, они устроены так же, как и обычные динамики от АС, но гораздо миниатюрнее, и (замечу от себя) по многим параметрам, особенно по КПД, хуже. Они в принципе не могут быть высокоомными, поскольку намотать много витков очень тонкого провода на подвижную звуковую катушку, колеблющуюся в узком магнитном зазоре, чрезвычайно трудно. Принято стандартное значение 32 Ом, но бывает и меньшее сопротивление.

Посчитаем напряжение и ток наушника при подведении мощности 1 мВт, пользуясь элементарными формулами электротехники: P = U ^. I, I = U / r. Получается 0,18 В и 5,6 мА. Для бестрансформаторного усилителя такие параметры крайне невыгодны, поскольку потребляемый ток как минимум раза в полтора превышает ток нагрузки. Посчитаем питание: 3 В, 10 мА, а это 30 мВт, т. е. КПД усилителя не превышает 3%.

Гораздо выгоднее для усилителя было бы отдавать в нагрузку 1,8 В и 0,56 мА, что привело бы к экономии по питанию и продлению срока службы батарей в 10 раз. Но сопротивление нагрузки (наушников) надо увеличить в 100 раз, до 3200 Ом. Не лишне было бы поставить согласующий трансформатор 10:1, но фирмы, особенно при массовом производстве, катастрофически боятся намоточных изделий. А любителю намотать такой трансформатор тонким проводом и внавал, (без укладки рядами) вообще ничего не стоит.

Ответ на вопрос: что лучше – питать усилитель значительным напряжением при малом токе или низким напряжением при большом однозначен – искажений при малом напряжении питания гораздо больше. Перечитайте серию моих статей об УМЗЧ в прошлых номерах ЮТ, и вы поймете, почему. Главный бич экономичных двухтактных УМЗЧ, работающих в классе В – искажения типа «ступенька». Пусть не принято никаких мер по их устранению – тогда амплитуда искажений будет около 0,5 В, она определяется порогом открывания кремниевых транзисторов. При напряжении питания 1,5 В получаем коэффициент нелинейных искажений 30% и слушать что либо через такой усилитель нельзя. В то же время при 9-ти вольтовом питании и такой же амплитуде выходного сигнала ЗЧ получаем всего около 6%, и для связи, например, это уже приемлемо. Все же попытки уменьшения искажений связаны с увеличением потребляемого тока.

Замечу, что человеческий слух крайне чувствителен к центральным искажениям сигнала (типа «ступенька»), в моменты перехода мгновенного напряжения ЗЧ через нуль. Он замечает их моментально, и звук кажется «грязным», противным. Эти искажения особенно возрастают при малых амплитудах ЗЧ, т.е. при тихих звуках. В то же время слух слабо реагирует на искажения типа «ограничение», когда срезаются «макушки» сигнала на громких выкриках. Этим широко пользуются на радиостанциях, ограничивая звуковой сигнал и тем самым поднимая средний коэффициент модуляции и эффективность передатчиков.

Уже заканчивая эту часть статьи, мне довелось побеседовать с академиком, просто умным человеком и любителем электроакустики. Он рассказал, что ухо человека способно детально разобрать звуковую картину, выделить звучание отдельных инструментов в оркестре и т.д., лишь при громкостях ниже 60 дБ. Более громкие звуки смазывают звуковую картину (селективность уха снижается), а совсем громкие смешивают её в сплошную орущую какофонию. Учитывайте это, любители громкой музыки, в рекламных проспектах такого не прочтёшь!

Закончим эту часть, перефразируя известное выражение:

SOS — спасите наши уши!