Чувствительность наушников, требования к усилителю.

Модератор: mike@in-russia

LabAT
Сообщения: 75
Зарегистрирован: Чт мар 13, 2008 2:26
Откуда: Moscow

Чувствительность наушников, требования к усилителю.

Номер сообщения:#1   LabAT » Ср мар 26, 2008 0:11

Наушники, это самое доступное средства услышать качественно музыку на ПК. Есть свои особенности, но качество звука того стоит, чтобы рассмотреть данный вопрос.
Вооружившись терпением, каждый сможет сам рассчитать все требования наушников к источнику сигнала. Математика несложная, школьного образования должно быть достаточно.
Самыми важными характеристиками наушников являются их импеданс и чувствительность. Если импеданс это приблизительно среднее сопротивление на частоте 1000 Гц, отличается от сопротивления постоянному току не катастрофически и можно измерит простым омметром, то чувствительность измерить совсем не просто и следует использовать данные, которые дают производители. Другое дело, что производители пытаются преподнести свою продукцию в наилучшем виде, поэтому умышленно иногда не дают полной информации. Например, указать чувствительность наушников 100dB, это практически ничего не сказать, поскольку нет параметра, при котором это значение получено, то есть это нуль информации. Любые наушники могут дать 100dB, только для одних потребуется 10-и ватный усилитель, а другие и с простым плеером будут ?громыхать?. Поэтому принято указывать чувствительность, как величину звукового давления, при выделении на наушниках 1-го милливатта мощности (dB/mW), или как величину звукового давления, развиваемого наушниками, при подаче на наушники 1-го вольта (dB/V), выраженную в децибелах (dB). Это стандарт в международной практике измерений. Никакие другие условия не используются и не приняты в международной практике. Все что дают отличного от представленного обозначения и условий некоторые фирмы, это их личная инициатива, направленная на ? понятно, на что, да?
Принятые значения чувствительности связанны между собой, поэтому легко переводятся одно в другое. Звуковое давление оценивается относительно ?порога слышимости?, которое равно 0,00002Па (паскаля), поэтому значения звукового давления даются относительно именно этой величины, а относительные значения вычисляются через десятичные логарифмы.
Нужны всего две формулы:
Изображение (1).
Изображение (2).
Pср ? это Рср.ст средне-стандартное звуковое давление, значение которого было указано для всех советских динамических головок, до появления значений выраженных в децибелах. В формулах это одна и та же величина, поэтому полученное значение в одной формуле просто переносится в другую.
U0.1w ? напряжение при 100 милливаттах на наушниках, рассчитывается как корень квадратный из произведения импеданса наушников на 0,1W. Например, импеданс равен 100 Ом, значит, напряжение на наушниках будет U0.1w=(100*0.1)^(1/2)=10^(1/2)=3.16 приблизительно, калькулятор даст точное значение. Величина связана с Рст, поэтому задумываться о ней, откуда берется, необязательно.
Например, наушники Etymotic ER-4S имеют импеданс 100 Ом, заявлены производителем с чувствительностью SPL(1v)=108dB/V и SPL(1mW)=98dB/mW, проверяем.
98/20=4.9
Pср=10^4.9*0.00002/0.1=15,88Па
SPL(1v)=20lg15.88/[10^(1/2)*0.00002]=108dB
Можно наоборот:
108/20=5.4
Pср=10^5.4*0.00002*10^(1/2)=15.88Па
SPL(1mW)=20lg(15.88*0.1/0.00002)=98dB
Как выяснить способность усилителя ?раскачать? наушники? В первую очередь надо учесть, что музыкальный сигнал имеет очень большой динамический диапазон, особенно классическая музыка, популярная музыка имеет значительно меньший динамический диапазон, но выше средний уровень, который люди и оценивают как уровень громкости.
Для наушников Etymotic ER-4S, имеющих 100 Ом и чувствительность 98dB/mW, надо иметь источник с выходным напряжением, обеспечивающим звуковое давление 94dB.
Вычисляется по первой формуле.
94/20=4.7
Uimp=[10^4.7*0.00002*10^(1/2)]/15.88=0.2V
Но это еще не все, это лишь средний уровень, как видно такое напряжение способно обеспечить практически любое устройство, рассчитанное на низкоомную нагрузку. Самое главное пики музыкального сигнала, которые в среднем можно оценить на 20dB выше среднего уровня. Значит, полученное напряжение нужно увеличить в 10-ь раз, а чтобы получить его амплитудное значение все это надо увеличить еще на корень из 2-х.
Uam=0.2*10*2^(1/2)=2.82V
Это уже не мало, но на такой нагрузке справится большинство выходных каскадов даже переносных устройств, особенно с популярной музыкой.
Таким образом, рассчитывая наушники с другими характеристиками, можно выяснить, сможет их ?раскачать? усилитель или не сможет.

Для определения звукового давления развиваемого наушниками или АС (акустическими системами), можно использовать формулы по мощности, которые даже проще применять, чем предложенные ранее. Вывод формул громоздок, поэтому здесь не приводится, но все формулы связанны между собой.
Все что нужно, это выяснить ту мощность, на которой требуется получить звуковое давление и мощность относительно которой вычисляется значение, в одном варианте при 1V приводимой производителем чувствительности, или для 1mW в другом случае.
Для АС (акустических систем) приводится характеристическая чувствительность при подводимой мощности в 1W, поэтому звуковое давление надо рассчитывать относительно этой величины.
Изображение (3).
Изображение (4).
Можно автоматизировать процесс:
http://www.headphone-amplifier.com/calculator.htm
Истине нужно несколько слов, демагогия требует библиотек.
A.Tutoshkin.

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 29314
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#2   morozov » Чт мар 27, 2008 0:44

С появлением!

Я видел сравнительные характеристики наушников (сетевой адрес к сожалению не сохранил)....

сложность тут в измерении характеристик с правильной акустической нагрузкой "искусственное ухо"

кроме акустического давления там измерялся на всем диапазоне импеданс наушника... оказалось там не все так гладко с частотой.. и резонансы в импедансе выражены довольно четко...
так что есть усилитель не токовый этот резонанс будет "прослушиваться" в том числе и как фазовые искажения .. (я они обычно не измеряются никак)...

простейшим решением приближаюшим усилитель к "токовому" последовательное сопротивление...оно дает заметный эффект даже при роботе с колонками, но естественно съедает часть мощности...
следующим шагом можно считать ламповый усилитель
он почти идеальный токовый усилитель, единственно канечно возня с трансами... и небольшая нелинейность (не причиняющая больших проблем в субъективном прослушивании) ...

я имею некоторый опыт в проектировании твердотельных токовых усилителей.. несколько разработок с моим другом были удачными. но главное принципы схемотехники..

если кому-то интересно...
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 29314
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#3   morozov » Чт мар 27, 2008 0:46

тут выложен токовый источник стабилизированного тока....
это конечно не усилитель, но может им быть
http://phorum.lebedev.ru/viewtopic.php?t=1201&start=0
С уважением, Морозов Валерий Борисович

LabAT
Сообщения: 75
Зарегистрирован: Чт мар 13, 2008 2:26
Откуда: Moscow

Номер сообщения:#4   LabAT » Чт мар 27, 2008 2:01

Спасибо, приветствую!
Ламповый усилитель для наушников. Никогда такого красивого звучания мне не приходилось слышать. Схема простая бестрансформаторная, основана на каскодном катодном повторителе Уайта. Раньше лампами никогда не занимался, поэтому первый опыт как ни странно оказался более чем удачный. Собрал его за вечер, ничего не настраивал, звук с хорошими наушниками ?волшебный?. Ни в какое сравнение не идет с полупроводниковыми усилителями, какие бы параметры у них небыли получены.
Изображение
Истине нужно несколько слов, демагогия требует библиотек.
A.Tutoshkin.

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 29314
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#5   morozov » Чт мар 27, 2008 13:10

Выглядит не плохо, хотя по нынешним временам транзисторный стабилизатор выглядит странно.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

LabAT
Сообщения: 75
Зарегистрирован: Чт мар 13, 2008 2:26
Откуда: Moscow

Номер сообщения:#6   LabAT » Чт мар 27, 2008 15:59

Так можно и на кенотроне сделать, только все упрется в габариты. Усилитель для наушников превратится в полный усилитель. В схеме реализована задержка анодного напряжения, поэтому в этой части все в порядке, ?отравление катода? не будет. Потом, на этой схеме не показано, но у меня накал первой лампы запитан постоянным стабилизированным напряжением через мост на диодах Шоттки и КР1158ЕН6. Это снижает фон сети, но и без этого все неплохо будет. Можно в первом каскаде поэкспериментировать с разными лампами. Все дело в том, что это набор радиодеталей по последнего винта. Вот его я и собрал. Можно конечно что-то свое придумать, только реализовать трудно, особенно корпус, вот где реальная проблема.
Истине нужно несколько слов, демагогия требует библиотек.
A.Tutoshkin.

LabAT
Сообщения: 75
Зарегистрирован: Чт мар 13, 2008 2:26
Откуда: Moscow

Номер сообщения:#7   LabAT » Чт мар 27, 2008 17:31

Адрес, наверное, этот:
http://www.headphone.com/technical/prod ... ld-a-graph
Верить этим графика не следует, вероятно измерения проводились микрофоном общественного телефона, а вот графики импеданса могут быть вполне полезны.
Истине нужно несколько слов, демагогия требует библиотек.
A.Tutoshkin.

LabAT
Сообщения: 75
Зарегистрирован: Чт мар 13, 2008 2:26
Откуда: Moscow

Номер сообщения:#8   LabAT » Пт апр 11, 2008 15:01

Валерий Борисович, здравствуйте, а можно подробнее про этот ?горб? на частоте основного резонанса усилителей.
Схемотехники называют ламповые усилители усилителями напряжения, а полупроводниковые усилители усилителями тока, но это схемотехники.
Вы имели в виду, что если усилитель ? генератор тока (ламповый усилитель у которого выходной ток константа и практически не зависит от сопротивления нагрузки), то проблем быть не должно, а транзисторный усилитель ? генератор напряжения (выходное напряжение константа и почти не зависит от сопротивления нагрузки), будет склонен к подъему АЧХ на резонансе.
Я с Вами полностью согласен, по собственному опыту и по ряду публикаций, рассматривающих отличия в звучании ламповых и ?каменных? усилителей. Горб у ?каменных? усилителей имеется, не у всех, но имеется, особенно выражен на низкоомной нагрузке, то есть имеется зависимость от импеданса нагрузки.
Меня интересует ?механика? процесса с точки зрения электротехники.
Истине нужно несколько слов, демагогия требует библиотек.
A.Tutoshkin.

LabAT
Сообщения: 75
Зарегистрирован: Чт мар 13, 2008 2:26
Откуда: Moscow

Номер сообщения:#9   LabAT » Вс апр 20, 2008 16:30

morozov писал(а): если кому-то интересно...
Очень интересно особенно в качестве усилителя для наушников, только хотелось бы подробнее.
Истине нужно несколько слов, демагогия требует библиотек.
A.Tutoshkin.

СГ
Сообщения: 76
Зарегистрирован: Ср июл 02, 2008 22:52
Откуда: Москва
Контактная информация:

Номер сообщения:#10   СГ » Чт июл 03, 2008 18:51

Уважаемые участники беседы, приветствует новичок на форуме. Тем, кому интересна ламповая техника, хочу скромно предложить интернет-пособие моего авторства, которое есть на моей веб-страничке.
Как говорит наш друг Шаляпин, "пора бы вам изучить очень хороший Классический Учебник".
Кроме шуток, материал неплохой, я же профи все-таки.
Последний раз редактировалось СГ Чт июл 10, 2008 10:46, всего редактировалось 1 раз.

LabAT
Сообщения: 75
Зарегистрирован: Чт мар 13, 2008 2:26
Откуда: Moscow

Номер сообщения:#11   LabAT » Пт июл 04, 2008 14:22

Изображение
http://radio.mus-exchange.com/pub.php?pubid=47
Очень интересная схема, с отличным звуком, но есть и недостатки, куда без них.
Выходной каскад будет лучше работать с составным транзистором (по схеме Дарлингтона или Шиклаи). Еще одна деталь, это выбор оптимального режима лампы, поскольку при таком анодном напряжении ВАХ неопределенны, расчет по графикам недоступен. Что скажите?
Истине нужно несколько слов, демагогия требует библиотек.
A.Tutoshkin.

СГ
Сообщения: 76
Зарегистрирован: Ср июл 02, 2008 22:52
Откуда: Москва
Контактная информация:

Номер сообщения:#12   СГ » Пт июл 04, 2008 16:55

Совершенно случайно именно эта схема разбирается в моей книге, которая находится сейчас в издательстве. Привожу цитату (с некоторыми сокращениями).
================
В книжке я нашел схему лампового-полупроводникового усилителя низкой частоты. При работе на наушники сопротивлением 15 Ом коэффициент нелинейных искажений менее 0,2% при выходной мощности = 0,025 Вт. Весьма заманчиво...
Заявленные параметры сомнительны. При Р = 0,025 Вт амплитуда тока в нагрузке составит 57 мА.
Небольшая доля тока сигнала будет ответвляться и в эмиттерный резистор сопротивлением 300 Ом. А значит, для неискаженной отдачи указанной мощности ток покоя эмиттера должен составлять, по крайней мере, 60 мА.
Фактический же ток повторителя 24 мА. Для обеспечения объявленных параметров каскада - сопротивление эмиттерного резистора надо бы уменьшить более чем вдвое!
==========
А так - схема как схема... С составным транзистором лучше будет работать не выходной, а входной каскад (меньше подгружаться базовым током).

LabAT
Сообщения: 75
Зарегистрирован: Чт мар 13, 2008 2:26
Откуда: Moscow

Номер сообщения:#13   LabAT » Пт июл 04, 2008 18:46

СГ
Исходная схема работает лучше с КТ805, как показывает практика, а еще лучше с парой КТ602-КТ805(КТ854). Так как интерес представляет не просто работа усилителя, а только высококачественная работа, отвечающая лишь взыскательным требованиям аудиофилов, то схема должна быть переработана. Интерес вызывает низкое питание и удовлетворительные характеристики, недостаток, который выявлен в ходе реконструкции, это повышенный шум при работе на низкоомную нагрузку исходной схемы чувствительных наушников (ниже 32 Ом). В любых других применениях может это и не очень важно, но не для аудиофилов. А невзвешенные шумы должны быть ниже 90dB, или еще ниже. Поэтому модернизация должна быть направлена на уменьшение шумов в первую очередь.
Составной транзистор на выходе улучшает многие характеристики, а ток базы можно и резистором уменьшить или использовать мощный полевой транзистор с изолированным затвором, IRF540N, например.
Здесь стоит проблема вообще пересчета и лампы и выходного повторителя. Ток покоя до 100 mA, это недостаточно для многих низкоомных наушников, речь идет о ?дорогих? наушниках, поэтому надо исходить не только из низкой чувствительности и высокого импеданса (91dB ? 600 Ом, например AKG K240M), но и низкоомных моделей. Отсюда требования ? Ку=2-4, большой ток покоя (около 300 mA) выходного каскада, высокое выходное напряжение (не менее 6 В), при таком питании более не получится, но это уже хоть что-то, и работа с большим до 2В сигналом. Вот такой усилитель будет максимально похож на универсальный усилитель для наушников с разным импедансом и чувствительностью.
Изыски коллеги привели пока вот к такому результату: без всякого расчета, анодные резисторы 39к (подбирался под необходимое смещение повторителя), резисторы в эмиттерах 100 Ом (постоянное напряжение равно половине питания), в базах составных транзисторов стоят резисторы 10к, сеточное смещение осталось без изменений. Но его надо выбирать исходя из максимального входного напряжения, это в свою очередь изменит смещение на транзисторах. Разделительные дополнительные межкаскадные емкости конечно недопустимы.
Максимальный ток лампы получается в районе 0,6 mA, насколько это хорошо?
Истине нужно несколько слов, демагогия требует библиотек.
A.Tutoshkin.

СГ
Сообщения: 76
Зарегистрирован: Ср июл 02, 2008 22:52
Откуда: Москва
Контактная информация:

Номер сообщения:#14   СГ » Пт июл 04, 2008 21:07

Уважаемый LabAT, я бы приветствовал идею доработки этой схемы. Мне видится большим ее недостатком слишком низкое анодное напряжение - в оригинале 8 В (понимаю, экзотика). Это дает ряд минусов: малый анодный ток (отсюда повышенные шумы); малый раствор анодно-сеточной характеристики (плохая перегрузочная способность, теряется смысл использования лампы); ограниченный диапазон по выходу.
Я бы шел по такому пути:
1) питание 70-80 В, на аноде 35-40 В;
2) смещение для получения анодного тока порядка 1 мА;
3) составные транзисторы (существуют транзисторы, составные внутри);
4) эмиттерные резисторы такие, чтобы получился ток эмиттера 200-300 мА.
Зачем резисторы в базах - не понял...
Конечно, это здорово увеличит энергопотребление. Но такова уж судьба однотактных бестрансформаторных схем.

LabAT
Сообщения: 75
Зарегистрирован: Чт мар 13, 2008 2:26
Откуда: Moscow

Номер сообщения:#15   LabAT » Сб июл 05, 2008 15:14

СГ
Так как схема без разделительных конденсаторов между каскадами, значит смещение составного транзистора будет определять лампа. Тогда максимальный (оптимальный) ток покоя будет при напряжении на резисторе равном половине питания. Но анодное напряжение (напряжение смещение транзистора) может оказаться слишком большим (при питании повторителя 25В). Придется или ставить разделительный конденсатор, или задавать смещение дополнительным делителем. В первом случае дополнительная емкость, что нежелательно, во втором потеря полезного сигнала, один из резисторов должен будет стоять последовательно в цепи прохождения полезного сигнала. Получается, что надо увеличивать напряжение не только анода, но и всего питания до 50-70В. Здесь не все так просто.
Вероятно это антизвонные резисторы в базах, КТ602 достаточно высокочастотные транзисторы.
Истине нужно несколько слов, демагогия требует библиотек.
A.Tutoshkin.

Ответить

Вернуться в «Техника эксперимента, технология, схемотехника, комплектующие / Experimental Gear, Technology, Circuit Technique, Componentry»