[转贴RogerShih]耳机好推跟不好推的技术面探讨

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耳机好推跟不好推的技术面探讨

以聆听经验来说, 以前总是感觉阻抗高比较难推. 小版工的电子学部分很早就还给老师了, 所以也就总以实际聆听的感觉作为依据. 这一阵子因为多少 K 了点东西, 也渐渐的大概明白一些耳机的难推为什幺难推？而好推的耳机是不是真的那幺好推？有些前辈认为低阻抗的比较需要大电流, 反而难推, 是不是这样呢？

先不以耳机来讨论, 先就实际上, 我们会拿那些器材来接耳机说起, 会比较明白. 如果有错误或是不正确的地方, 请大家多多指正, 也许小版工说的这些, 很多高手都早就清楚了, 也希望藉此拋砖引玉, 让大家对耳机更有认识.

1. 声卡 -
计算机使用人口的大量增加, 所以使用声卡为主要聆听讯源的人也占了极大的一部份. 所以站上很多新来的朋友最关心的还是声卡可不可以推好耳机.

以声卡目前的最大输出来说, 输出电压摆幅多在 1~3Vrms 之间, SB Live! 最大是 1.1Vrms 左右. 我们拿比较代表性的 M1、K501、HD600 跟 K240 DF 来作计算.

当 SB Live! 音量全开时, 输出 1.1Vrms, 上述耳机应该得到多少电流？承受多大的功率？(耳机的特性阻抗比较不像喇叭那幺夸张, 通常都跟标示的差不了多少) 再对照效率可发出的响度 (dB)

我们下面都以官方数据作为参考.

M1 (32欧母) => 34.37ma => 34.37 mW => (效率 98dB/mv,108dB/mW) 达 120 dB以上 (Alessandro/GRADO 的效率标示是 mV, 不是mW, 所以只要 1mV 就可让 M1 发出 98dB 的声响.)
K501 (120欧母) => 9.12ma => 10.12 mW => (效率94dB) 约 104 dB
HD600 (300欧母) => 3.7ma => 4.07mW => (效率96dB)约 100dB
K240 DF (600欧母) => 1.83ma => 2.013mW => (效率 88dB) 91dB

上面可以看出主流声卡对各耳机的驱动能力, 通常一般聆听音量多在 90~100dB 之间, 如果环境背景吵杂, 100 dB~105dB 都还可能会用到, 120dB 的音量大概是飞机起降的庞大声响那样, 几乎不会用那幺大的音量, 尤其是耳机.

但一般背景噪音不会很低, K240 DF 把 SB Live! 音量开到最大, 也不过 91dB, 考虑到AKG频响测试低频滚降较快的情况下, SB Live! 要推 K240 DF 是力有不逮的.

HD600 一般印象比 K501 好推一点, 原因大概是 HD600 的低频响应比 K501 多很多, 这会让人觉得 HD600 比较好推.

目前的很多 onboard 的AC97输出, 为了节省成本, 甚至可能还不做放大, 比 SB Live! 好的很少. 目前我看过最好的是 S70, 有 3.x Vrms 的最大输出, 但是推 K240 DF 也只能得到 99dB 的最大响度, 还是不足.


2. 随身装置
基本上, 随身听的主要目的如果是为了省电, 通常会在输出能力上打折, 输出电压摆幅也不会比声卡高多少. 在实际使用上, 高阻、低阻耳机对耗电量的影响不明显, 主要还是在于耳机的效率是否够高, 电压摆幅足够的情况下, 效率又相同, 低阻会比高阻耗电些.

3. 直接 CD Player 输出-
这有两种方式, 一是有作耳机孔, 二是直接用模拟讯号输出接线, 中间用 VR 可变电阻来控制音量.

一般来说, 有耳机孔输出的, 多是以 OP amp 驱动耳机, 但是一样会有阻抗匹配限制, 例如 TASCAM CD-401 就设定 32~300 Ohm, 这个阻抗匹配, 应该是跟 op amp 的输出负载电压跟电流有关, 摆幅无法输出足够给 600 欧母耳机使用的缘故.

但是 CD-401 是专业录音室用的器材, 输出能力较高是肯定的, 一般 CD Player 许多都不太能应付 K501 了, 更不用说 K240 DF & M 了.

另一种就跟 CD Player 模拟输出的设定有关, 一般标准 CD Player 模拟输出的电压摆幅标准是 2Vrms, 后来慢慢的有人增加模拟输出的电压摆幅范围, 大致上是 4~5 Vrms. 但这对 CD Player 的模拟输出会形成相当大的负担, 因为一般 CD Player 都是接前级, 前级的输入阻抗高, 所以讯号输入时不需要什幺电流, 对 CD player 的模拟输出比较没有负担, 所以 CD Player 的模拟输出零件不用供应什幺电流, 输出 op 也不用提供多大的电流出去. 但一般耳机即使 600 欧母, 也远比前级的输入阻抗低, 这会影响 cd player 的模拟输出负载, 负担会变大.

第二种方式如果不小心, 又接低阻抗耳机的话, 是比较危险的.


4. 耳机驱动器
耳机驱动器的设计依照不同的线路跟分类有不同的限制, 大致先就分成使用输出变压器跟晶体 OCL/OTL 输出比较我比较熟悉些.

用输出变压器的设计, 问题在于输出变压器本身对负载的阻抗匹配, 一般应用输出变压器都是用在喇叭上, 输出抽头多为低阻, 所以如果要用相对比较高阻抗的耳机, 就必须多拉几组抽头使用.

另外使用输出变压器, 还得注意在多少负载下的频率响应是否能够正常表现, 通常这类测试大多只有单一条件下测的, 有时低阻抗负载测出来的很漂亮, 高阻抗的就比较差.

当然还有很多线路, 不过这里以我最熟悉的LC-iCute当例子好了. 一般版的 LC-iCute 设计上是以 K501 为对象, 所以输出的电压摆幅大概 4.x Vrms 就足够了 (参考文章收集中大帅所写的-如何推好 K501 一文). 所以摆幅范围设定在 6V 左右, 讯号放大要是超过的话就会被 cut 掉 (波形失真), 在这 6V 下, 推 K240 DF 则只能推到 105dB 左右, 音量还是受限. 特别是 K240 DF 跟 K501 一样, 低频比较少, 给人耳的音量感会更小些.

市面上的耳机驱动器或线路, 多少都有其设计目标跟范围, 低电压、消耗功率低, 也就跟着省电, 输出电压高, 像小版工的 K1000 二号机, 耗电也就高多了, 拿来推低阻抗耳机也比较危险 (要是里面那个零件挂了直流输出 18V, 可以算算 32欧母的耳机会承受多少功率, 发出多大的声响啊  )

基本上, 小版工知道很多人用前后级的方式来推难搞的耳机, 例如 K240 DF, 基本上这是一种不太正确的方式, 因为过了前后级, 电压摆幅够了, 但是 600 欧母的耳机, 效率再低, 也真用不上前后级来伺候, K240 DF 最大不过 200 mW, 电流需求不过几10mA, 后级主要的目的是供应喇叭足够电流, 但对 K240 DF 实在是用不太上.

就如同 K1000 一样, 其实最大音压 104 dB 也不过需要 1W, 但电压摆幅要高, 单以这些来看, 用喇叭的应用观念来全套到耳机上, 并非是恰当的.

基本上低阻抗耳机通常效率都很高, 耳塞更高, 所以电压不必高, 电流相比之下也就需求不大 (记得吗？耳机的阻抗并不像喇叭那么厉害, 通常喇叭的阻抗会随着频率的变化降低的很夸张, 4 欧母降到 1 欧母的也有, 这变化量会使得电流需求大增).

考虑到响度问题, 高效率耳机相对低效率的高阻抗耳机, 同样 1mW, M1 可以发出 98 dB 的声响, 而 K240 DF 只有 88dB, 耳塞 1mW 低的可发出 108dB, 高的可发出 115dB 以上, 在实际聆听的音量 90~105dB 上, 高效率耳机实际上往往功率需求有的还不到 1mW, 这也是随身装置以高效率为搭配准则的原因, 因为需求功率小, 相对的电压摆幅跟电流要求也不高. 所以低阻抗会比高阻抗难推吗？那应该是在效率相同的情况下, 低阻抗才会比高阻抗难推的情形.

还有很多疑问, 例如测试响度有的会标示 SPL, 有的会标示 JETIA, SPL 还有分 mV 跟 mW 的, 这些可能要熟悉耳机测试规格比较容易理解吧, 慢慢找数据 K  

一般来说, 真空管是电压组件, 晶体是电流组件, 对付耳机时, 通常都是拿小讯号管来搞, 好象用到电流管就有点大才小用的感觉, 只是这种想法碰到 K1000 就可能碰壁吧, 因为 K1000 虽然说需求的功率并没有想象中大, 但是最好还是有 100ma 以上的电流供应能力, 对管机而言, 这也形成相当的考验.

另外就是放大倍数的设定, 小版工对真空管真的不熟, 认知中好象讯号管放大的倍数是固定范围的, 不像 op 可以设定倍数. 而一般单一讯号管放大的增益也还够用, 不过遇到 K240 DF 这种高阻抗, 单一放大也不太够, 至少余裕度变得很少.

小版工认为, 很多前辈认为低阻抗难推, 跟真空管电流供应能力较低不无关系. 看过很多非常简单的 op 驱动, 拿来推 M1 、 ATH 吓吓叫, 姑且不论声音好坏, 响度是足够的, 是不是能代表 op 供应这些低阻耳机功率已经够了呢？对这些高灵敏的耳机来说, 电流的需求, 其实并没有想象中那么的大!?

当然, 这些想法搬到喇叭上就不一定成立了.

基本上灵敏度高的耳机, 通常是在振模的材质上下手, 使用所需的功率大幅降低, 也因此阻抗也变低. 所以也就有诡异的情况跟误认, 直觉的以为阻抗低所以电流需求大. 纯就 I=V / R 来看, 这种计算并没有错误, 套在喇叭的计算上, 因为喇叭在低频率时, 阻抗会变低, 导致电流需求会更高.

灵敏度高的耳机, 所需要的驱动器反而不需要电压的增益, 如果照计算, CD Player 的 2Vrms 在推 ATH W2002 40欧母 102dB/mW 的时候, 所需电流是 50mA, 换算为功率是 100mW, 一般计算到此结束, 但是没留意到, 这个时候 ATH W2002 的音量已经不是人耳能忍受的程度了 (120dB 以上).

W2002 是封闭式耳机, 可以隔绝相当的外界噪音, 所以聆听音量可以更低, 1mW 有 102dB 的音量, 其实已经很大声了.

上面看来, 也就是说要推 W2002, 其实电压放大 2 倍, 其实可以应付的绰绰有余了. 电流需求这么算来, 50~60mA 也尽够了, 因为用到这么大电流, 表示音量早已超出人耳接受范围的程度.

也所以一般管机、随身听能推像 W2002 这种低阻抗高灵敏度的耳机. 因为其电流要求, 讯号管还应付的起, 随身听虽然不一定能提供这么高电流, 但是只要在可接受的音量范围下, 提供一定的电流供应能力, 也不容易被察觉输出能力不足的问题. 因为当电流输出能力不足时, 声音顶多软一点, 低频受限些, 都是比较难以察觉.

综合来看, 推 W2002 , 重点不在电压放大, 也不在电流增益要多大, 而是调音....

关于低阻抗耳机的难推. 我们知道聆听时有所谓的动态范围, 例如交响乐动态是 80dB, 聆听音量范围可能是 30~110, 20~100, 小音量跟大音量之间, 举例就听感来说, 背景音乐通常声音比较小, 意思就是讯号摆幅也比较小, 主旋律如人声, 声音会比较大, 也就是讯号摆幅大.

最小跟最大音量的变化, 也就是我们所说的动态范围. 为什么要讲到这个？因为这也考验着耳机好不好推的一个重要依据.

低阻抗耳机虽然因为高效率的关系, 使得实际上的电流要求并没有想象的那么大, 但是反想过来, 又不见得随身听就可以推的很好, 这一点, 就必须要考虑到随身听推动耳机的输出能力才行.

当动态范围落在 30~110dB 之间的时候, GRADO 耳机所需功率大概接近 4mW, 电压摆幅约在 0.33V~0.34V 间, 电流需求则已经要 11mA.

那么, 是不是只要随身听能够提供 11mA 的供应能力, 就表示可以推好 GRADO 耳机呢？不尽然.

耳机跟喇叭一样, 都是把电能转成动能, 当振模或是单体在工作时, 扩大机要面对的不只是提供足够的电流推动耳机或喇叭, 还要克服所谓的反电动势, 在抵销反电动势后, 还能提供足够的电流才是重点. 以上面的计算为例, 推 GRADO 实际上要提供的电流一定会比 11mA 多, 但是要多多少, 就需要更进一步的计算跟了解. 个人推测也是跟灵敏度有关, 灵敏度越高, 反电动势应该可以越小才对.

继续再讲下去, 当驱动装置如随身听提供不了足够的电流时, 当动态超过电流供应能力的时候, 输出的大音量讯号会变成失真, 这很好推论, 以上面推 GRADO 为例, 当有讯号需要发出 110 dB 的时候, 驱动的随身听只能提供 10mA 的电流, 这种情况下, 输出讯号的电压波形顶峰会变成失真, 直到讯号小于 32x10mA=0.32V 以下, 这时最大输出只有 3.2mW, 小于 110dB 时所需的 4mW, 只能发出约 108 dB 的音量, 动态范围从 80 dB 变成 78dB, 聆听的感觉是闷了点, 音场比较没开.


高阻抗耳机的难推, 主要在于输出摆幅不够, 无法得到足够的功率去推动耳机, 低阻抗的难推, 在于当电流输出不够的时候, 动态范围会不知不觉的受到限制.

另外, 小版工听过有种说法是用随身听等装置推 GRADO 等耳机时, 遇到推不好的情况时, 会连带的影响耳机状况好坏. 就像用小功率推比较低效率的喇叭时, 意思是说尽量避免控制力不足的情况出现, 否则会对喇叭造成伤害.

个人一听到也觉得颇为怪异, 推不出来、控制力不够, 不就声音糊糊的、软软的而已吗？还有什么影响？

我们知道功率不够、电流不足, 推喇叭或耳机会造成动态压缩, 但是这也是失真的一种, 对喇叭单体也是种伤害. 当电流不足, 无法很适当的抵销反电动势时, 单体或振模的震动会增加许多不必要的工作, 这是因为驱动装置的控制力不够导致的.

写这一大串文章, 主要的目的是希望每个耳机的爱好者能明了一件事情, 所有关于声音的讨论, 并不纯粹只是耳听为凭而已, 还有很多技术上的基础可以探讨, 不用再像以前一样瞎子摸象, 推不好时不是怪耳机就是怪耳扩, 再不就是怪讯源, 却不知道原因.

例如像之前没注意到 MDR-F1 的阻抗竟然只有 12 欧母, 但是如果没搞懂之前所说的耳机阻抗、电压、电流之间的关系, 要如何正确的选择合适的驱动器来搭配, 就没有了方向, 只能病急乱投医了.

正确的驱动之后, 才说的上音色搭配跟喜好, 小版工是这么认为的  

阻抗越大, 声音通常越小, 还要参照灵敏度. DZ 那套什么高阻的越好推别拿来在耳机上乱套.

耳机输出通常要参照两个输出参数, 一个是电压放大, 一个是电流供应, 这些在器材规格上, 通常要比较熟悉电子学实作的才容易看的明白.

以上面所参考的随身听为例:

Panasonic SL-MV50


输出电压：1.2伏 (10k ohms)
耳机出力：最大9mW+9mW / 16 ohms


这两个是跟推动耳机相关的参数. 我们可以以此来计算最大输出电压摆幅跟电流, 并加上负载 (也就是耳机来计算).

每声道 9mW, 以 V^2 / R = 9mW 计算, 此时输出电压 0.338VRms 左右, 电流 21mA 左右, 我们就以此为SL-MV50的最大供应电流上限.

接着, 我们拿 ATH 的耳机 40 欧母 102dB/mW 以及 AKG K240 M 600欧母 88dB 来计算, 当音量转到最大 (也就是上面写的最大 1.2Vrms) 时, 两只耳机可以发出多大的音量.

我们知道, 当音量每 3dB, 功率约增加一倍, 也就是 1, 2, 4, 8, 16 mW这样增加. OK 来算啰.

当接上 ATH 高阶耳机(如 W2002), 1.2V / 40欧母 = 0.03A = 30mA, W=V*I, 所以 1.2*0.03 = 0.036W=36mW, 这时 ATH 耳机可发出 (1mW=>102dB, 2mW=>103dB.....etc), 正常 36mW 约 117dB强 的音量. 飞机起降的噪音约为 120dB.

但是, 要注意, 因为SL-MV50刚计算出来只有 21mA 的电流供应能力, 于是当如此大音量的时候, SL-MV50 的电流供应能力不足, 于是只能持续提供 21mA, 于是电压以及输出功率也被强迫跟着降低, 计算如下, 40*0.021=0.84V, 0.84*0.021=0.176W=17.6mW, 结果最大音量是 114dB 强. 结论是, SL-MV50 的电流输出不足, 动态会被缩减, 但是音量足够.

再来计算 K240M, 阻抗 600 欧母, 效率 88dB, 当最大 1.2V 时, 1.2/600=0.002A=2mA, 换算功率 W=V*I, 1.2*0.002=0.0024W=2.4mW, 按照上面的计算, K240 M 此时最大只能发出 91dB 强的音量.

当聆听音乐时, 声音音量的变化大小称为动态范围, 通常动态测试会拿交响乐来测, 动态范围是 80dB, 也就是音乐中的声音最小如果是 30dB, 最大就是 110dB, 通常半夜时, 背景噪音才有可能降到 40dB 以下, 所以当正常聆听时, 可能是 20dB~100dB, 或是 30dB~110dB 这样的范围在听音乐.

拿 ATH 耳机来看, 以 30dB~110dB 的聆听需求来看, SL-MV50 推ATH耳机最大音量 114dB 确实是绰绰有余的, 但是 K240 M 最大就只能 91dB, 音量明显不足, 也就是根本推不动.

阻抗越高, 效率越低, 是一个常态性的通则, 尤其牵扯到振膜的材质、制造技术, 但是高阻抗耳机灵敏度会较低, 是很肯定的 (除了静电耳机, 但已经不是动圈耳机的范畴).


而现在耳塞耳机的阻抗虽然更低, 约 16 欧母, 但是效率更高, 有达 115dB/mW 的, 以上面算式算来, 0.021*16=0.336V, 换算功率只有 7mW 左右, 但是已经可以达到 120dB 的最大音量输出, 不够吗？除非你的耳朵想振坏掉.

liangjin007

好文章！

xrb

算算拜亚的耳机

voxel

欧姆定律
功率增加一倍，响度增加3dB

自己用这两条推吧

光之羽

好贴!

galletti

太长，自己算，自己测

大胡子

顶

ghostpower

强！

hyperma

就应该弄点这种东西来教育群众， 告诉他们如果在300欧无法给出20毫安的电流,根本无法正常驱动耳机.

truly

长知识了！谢米饭。