на что влияет диапазон частот в наушниках
Имеющий «уши», да услышит – критерии выбора наушников
Сегодня наушники используют практически все. Выбор той или иной модели, конструкции, принципа действия наушников во многом обусловлен сферой их применения. В данном материале мы описали то, что в первую очередь следует учесть при выборе наушников. Намеренно дистанцировавшись от гарнитур и узкоспециализированных устройств, мы сконцентрировали внимание на тех наушниках которые используют для прослушивания музыки, просмотра видео, а также рассказали о некоторых профессиональных устройствах для студий звукозаписи и концертного применения.
В связи с тем, что тема очень обширна и факторов, которые влияют на выбор, хватит на 10 статей, в этом материале мы решили дать общую информацию о конструктивных и технических особенностях наушников разных типов и назначения. В дальнейшем каждый из затронутых в этой статье вопросов станет поводом для отдельной публикации.
Отмечу, что для людей, которые подходят к качеству передаваемого звука с позиции «лишь бы звук был», полезной окажется только часть этого материала. Также сходу подчеркну, что любые упоминания брендов и моделей будут минимизированы, носят лишь информационный характер. Эта статья не даст ответ на вопрос «какие наушники лучше?». Материал создан лишь для того, чтобы облегчить выбор, подробно рассказать о существующих технологиях и принципах.
Тип конструкции
Появились на рынке в качестве бытового гаджета в 1991-м стараниями компании Etymotic Research. В силу достаточно низкой стоимости, сегодня вкладыши входят в базовую комплектацию большинства мобильных устройств. Основным их достоинством можно считать компактный размер. Среди недостатков стоит выделить низкую эргономичность — придется подобрать правильный размер для своих ушей.
В ряде случаев недостатком является посредственное звучание. Последнее не является обязательным, но более 80 % ассортимента не дотягивают до hi-fi класса. Раньше этот тип был весьма распространён, и в линейках нескольких известных брендов можно выделить достойные вкладыши. Но конъюнктура рынка делает своё дело, и производители всё больше склоняются в сторону внутриканальных образцов при разработке флагманских моделей.
«Затычки» — один из наиболее распространённых сегодня типов портативных наушников. Принцип: драйвер находится снаружи, трубки с латексными или пенными амбушюрами помещаются в наружный слуховой проход. Многие ошибочно полагают, что внутриканальная конструкция появилась позже вставной, но это не так. На рынке «затычки» начали появляться как концертные мониторы ещё в 70-е, откуда позже перекочевали в менее специфические сегменты, но первое упоминание о подобной конструкции относится к 1895 году, в котором Томас Эдисон оснастил, вероятно, первыми внутриканальными наушниками свой Кинетофон.
Основные достоинства конструкции:
• мобильность (по размерам меньше или равны вставным);
• хорошо подойдут любителям выраженного, динамичного баса (акустические свойства конструкции часто перекашивают АЧХ в сторону низов);
• Хорошо сидят в ухе, что делает их удобными при занятиях спортом.
Недостатки: искажения, нередко возникающие в связи с особенностями конструкции и размером, высокая вероятность влияния на слух (интенсивность звукового давления + расположение в наружном слуховом проходе). В большинстве случаев не имеют оголовья. Как и прежде, прилично звучащие внутриканальные системы используют в качестве концертных и студийных мониторов.
Этот тип получил широкое распространение как периферийное устройство для ПК, а также как наушники для плейеров. Сравнительно небольшие габариты и масса сделали этот тип наиболее популярным в офисах. Ощутимыми недостатками конструкции являются:
Многие модели снабжены микрофоном и функциональным блоком с регулятором громкости, что как бы намекает на стационарное применение и использование в качестве гарнитуры. Некоторое количество накладных моделей создается для прослушивания музыки, часть из них рассчитаны на применение вне помещений. Ряд экспертов считают, что накладная конструкция априори менее склонна искажать звук, нежели вкладыши и внутриканальные образцы. Ещё один тренд накладных систем – офис, рабочее место, PC.
Как уже ясно из названия, этот тип не может похвастаться компактностью. Что не умаляет его достоинств. Большие габариты и зачастую масса таких устройств положительно сказываются на акустических свойствах конструкции. Это тот случай, когда размер имеет значение.
К полноразмерным наушникам относится подавляющее большинство систем для студий звукозаписи. Полноразмерными являются практически все референсные прецизионные студийные наушники, специализированные диджейские мониторы, а также очень многие представители класса Hi-End.
Классические референсные наушники, как правило, открытого типа – это связано с тем, что в закрытом типе искажается передача низких. За точную передачу АЧХ открытый тип любим многими аудиофилами. При этом некоторые звукорежиссёры придерживаются мнения, что референсные наушники должны быть полузакрытого типа, так как позволяют без искажений воспроизводить низкие и при этом обладают достаточной степенью звукоизоляции. Закрытый тип используется в качестве мониторов исполнителя при записи в студии, работы на живом выступлении, а также популярен у ди-джеев.
Полноразмерными создают также наушники для геймеров и многочисленные системы для PC. Последние далеко не всегда обладают качеством звучания, близким по уровню к профессиональным собратьям, а полноразмерная конструкция скорее используется как маркетинговый ход, нежели осознанная техническая необходимость.
Существует устойчивый стереотип о том, что полноразмерные наушники обязательно должны хорошо звучать. Банальный АЧХ-тест и беглый взгляд на процент КНИ многое может сказать о качестве, и в случае с многими «псевдостудийниками» эти параметры выдают самозванцев. Миф об обязательном превосходстве больших «ушей» родился тогда, когда полноразмерных головных телефонов на рынке было немного и в подавляющем большинстве они были студийными. Но миф не более чем миф: имеющий уши — да услышит, имеющий осциллограф — да увидит.
Несколько слов об АЧХ, КНИ, сопротивлении, и чувствительности
На всякий случай:
АЧХ – график разницы величин амплитуд выходного и входного сигналов во всем диапазоне воспроизводимых частот. (Гц)
КНИ – коэффициент нелинейных искажений (%)
Чувствительность – интенсивность звукового давления (Дцб)
Мощность – характеристика, определяющая динамический диапазон и звуковое давление (мВт – в случае с наушниками)
Всё, что касается амплитудной составляющей (громкости) сигнала наушников, зависит от чувствительности. Нижней границей нормы считается отметка в 100 Дцб. Хорошие наушники обеспечивают чувствительность не менее 100 Дцб. Меньшая чувствительность не обеспечит достаточного уровня громкости.
Любой уважающий себя производитель уведомляет покупателя об уровне КНИ наушников. Критичным уровнем гармонических искажений для наушников в диапазоне от 100 до 2 Гц считается превышение границы в 1%, ниже 100 Гц допускают значения до 7-10%. При этом стоит сказать о том, что звук с максимально допустимыми искажениями не отличается «кристальной чистотой». Притязательные слушатели чувствительны к КНИ, поэтому в некоторых профессиональных и Hi-end моделях этот показатель умудряются снизить до 0,1 % (от 100 Гц.) и 0,9% (ниже 100 Гц).
Напрямую влияет на качество звука и появление искажений сопротивление наушников. Чем оно выше, тем меньше тока требуется усилителю, чтобы их «раскачивать», а соответственно — меньше искажений возникает на этапе усиления. По сопротивлению принято делить наушники на высоко- и низкоомные. Для внутриканальных и вставных низкоомными принято считать устройства с сопротивлением до 32 Ом, высокоомными — от 32 Ом. Для полноразмерных низкоомными принято считать наушники с сопротивлением ниже 100 Ом, и соответственно выше 100 Ом – высокоомными. Практически все головные телефоны для профессионалов, а также относящиеся к hi-fi/hi-end классу являются высокоомными.
Известно, что точность и возможности передачи частот находятся в зависимости от АЧХ. Чем шире диапазон и равномернее АЧХ, тем реалистичнее, детальнее, точнее передача сигнала. Большинство людей способно воспринимать диапазон от 20 до 20 000 Гц. У многих с возрастом порог восприятия высоких частот снижается и не превышает 16 000 Гц. Существуют люди, воспринимающие более широкий диапазон. Более того, многие из тех, кто предпочитает hi-end аппаратуру, убеждены и в том, что воспроизведение частот за пределами диапазона восприятия влияет на качество звука. В том или ином случае действительно качественные наушники будут обладать диапазоном частот, по крайней мере, в пределах от 20 до 20 000 Гц. В профессиональной и hi-end технике он, как правило, значительно шире.
Большие пики и провалы в графике АЧХ — суть «окрашенный» звук. Маловероятно, что наушники с подобными характеристиками можно причислить к профессиональной и даже просто качественной аппаратуре. Они будут передавать с существенными частотными искажениями, неестественно «окрашивать» его. Не могу не отметить, что для людей, не слишком тяготеющих к качеству звука, проявляется большая любовь к агрессивно выраженным низким частотам. Для сверхпритязательных аудиофилов особо ценным оказывается верхний порог частотного диапазона.
Сразу отмечу, что прямой зависимости между качеством звука и типом излучателя в наушниках – нет. Пожалуй, единственным исключением из этого правила является электростатические драйверы. При этом косвенно тип излучателя влияет как на качество звука, так и на отдельные его характеристики.
Мы рассмотрим 4 наиболее распространённых излучателя для наушников:
Динамики – классика всегда и везде
Наиболее распространённым типом излучателя в наушниках, как, впрочем, в других акустических системах, является классический электродинамический громкоговоритель. На качество звука, передаваемого таким излучателем, влияет множество факторов: материал диффузора, конструкция катушки и т.п. Зачастую динамики обладают более широким диапазоном частот, что является наиболее существенным преимуществом перед «арматурой».
Ощутимым минусом классических электродинамических драйверов является низкая в сравнении с остальными надёжность (большое количество подвижных деталей, чувствительность катушки к большим нагрузкам) и большая вероятность появления гармонических искажений. В итоге всё зависит от качества конкретных динамиков.
Сегодня наушники с динамиками остаются наиболее популярными в мире и используются во всех существующих классах.В связи с этим цена на наушники, оснащённые динамиками, может быть любой, всё зависит от класса, при этом наушники с излучателями других типов (при приблизительно равных технических параметрах), в сравнении с классическими, в большинстве случаев стоят дороже.
Арматурные – от военных телефонов к высокопроизводительным «in ear»
Излучатели этого типа, до использования их аудиотехнике, широко применялись в военной и медицинской аппаратуре, после чего нашли свою нишу в потребительском сегменте. Принцип действия: воздействие подвижного якоря П-образной формы с катушкой на излучающую мембрану, что снижает количество подвижных частей, а соответственно, уменьшает вероятность появления искажений и повышает надёжность.
Чаще всего излучатели этого типа используются при создании внутриканальных наушников. Для этого типа часто характерно множество излучателей в одном наушнике (2 и более), что сложнее реализовать с более габаритными динамиками. 
Для устройств с этим излучателем характерны такие особенности, как выраженность высоких и средних частот, высокая детальность передачи сигнала, более ровная АХЧ. Низы ощутимо менее акцентированы, нежели у наушников с электродинамическим принципом работы. Стоимость арматурных наушников как правило выше, чем у оснащённых динамиками, при прочих равных характеристиках.
Выпускаются также системы с комбинированным арматурным и электродинамическим излучателем, где первый служит для передачи высоких и средних, а второй используется для низких частот.
Изодинамические (планарно-магнетические) – хорошо забытое новое
Сравнительно редкий тип излучателей для головных телефонов, который, по заявлениям ряда экспертов, превосходно подходит для достоверной и точной передачи звука. Среди приверженцев изодинамической звукопередачи немало любителей симфонической классики, джаза и сложной камерной музыки – наиболее требовательных к аудиоаппаратуре жанров.
Изодинамические излучатели используют в качестве колебательного элемента сверхтонкую мембрану, на которую наносятся металлические дорожки и постоянные стержневые магниты, что позволяет максимально точно и без искажений передавать звук.
Любителям перенасыщенного низами звука этот тип, вероятно, не подойдёт, так как конструкция не предполагает частотных искажений в сторону низких, как это нередко бывает с классическими электродинамическими драйверами. Серьезной проблемой наушников с этим типом излучателя является цена. Как правило, стоимость таких наушников запредельно высока для простых смертных, что автоматически делает их предметом для небедных аудиофилов и профессионалов. Нижний порог стоимости наушников с изодинамическими драйверами начинается с 30-60 000 рублей.
При близком к электростатическим излучателям качестве изодинамические наушники не требуют обязательного предусиления, что снижает расходы на приобретение аппаратуры и упрощает эксплуатацию.
Электростатические – восторг аудиофила
Наушники с этим типом излучателей занимает особое место, так как в конструкции отсутствует магнит, что фактически исключает возможность появления существенных искажений, а тончайшая мембрана «электростатов» способна передавать почти неуловимые отзвуки. Те, кто трепетно относится к чистоте и достоверности звучания, признают этот тип излучателя лучшим.
Точнейшая передача сигнала электростатических наушников сделала девайс предметом обожания аудиофилов. Принцип действия излучателей в случаях с такими наушниками требует использования специального предусиления, так как напряжение, требуемое для раскачки, может превышать 5000 V. Совершенно закономерно, что цена устройства с предусилителем достигает почти астрономических величин, и найти этакую прелесть в ценовом диапазоне до 90 000 рублей почти невозможно.
Главное, с чем стоит определиться перед выбором наушников, – как их будут использовать. Наушники – те устройства, которые не предполагают универсального применения, и каждый их тип соответствует своим задачам. Безусловно, толстый кошелек значительно расширит возможности выбора. При этом, даже если у вас нет 15 000 на крутые «затычки» или 100 000 на полноразмерные hi end «электростаты», рекомендую внимательно подойти к изучению характеристик, оценить эргономичность для именно ваших ушей и, естественно, послушать, ведь решающим критерием выбора всё равно останется ваше восприятие. Настоятельно не рекомендую покупать наушники в метро и т.п. местах, а также с осторожностью относиться к «суперпредложениям» на площадках типа AliExpress, в большинстве случаев аналоги моделей известных брендов из Поднебесной очень существенно уступают «породистым» оригиналам.
Воспроизведение звука и музыки: какие частоты используют и зачем их ограничивают
Содержание
Содержание
Собаки слышат до 45 кГц, кошки — до 79 кГц, дельфины и летучие мыши — выше 100 кГц, а человеческое ухо едва в состоянии услышать несчастные 20 Кгц, а чаще — всего 16-17 кГц. Почему все так? И зачем тогда гордые значения воспроизводимых частот типа «16 Гц — 40 кГц» на аудиотехнике? На каких частотах вообще звучат музыкальные инструменты и человеческий голос? Об этом ниже.
Что такое частота звука?
Звуковая волна, как и любая другая, имеет две главные характеристики — амплитуда и частота. Если к поплавку на озере привязать карандаш и устроить так, чтобы он чертил на движущейся бумаге свою траекторию (как кардиометр или сейсмограф), то получится синусоида:
Почему мы слышим хуже кошки?
Звуковые волны могут иметь любую частоту колебаний, но человеческое ухо улавливает их в диапазоне примерно от 20 Гц до 20 Кгц. На самом деле, в идеальных лабораторных условиях некоторые слышат аж до 12–16 Гц, а те, кто не слышит, могут уловить низкочастотные колебания телом. А вот с высокими частотами все хуже. Лишь немногие смогут уловить 20 кГц, большинство же слышат лишь до 16-17 кГц, и с возрастом это значение падает до 8–10 кГц.
Более того, человеческое ухо наиболее чувствительно к диапазону от 2 до 5 кГц — это так называемая зона разборчивости. Чувствительность к волнам на разных участках спектра различается. Любой может записаться на аудиометрию — обследование слуха, чтобы получить аудиограмму — кривую чувствительности своих ушей по частотам. Правда, в медицине она измеряется в диапазоне от 125 Гц до 8 кГц, но даже в таком укороченном отрезке у всех будет видна неравномерность слуха. Чувствительность ушей зависит даже от времени дня и настроения.
Кроме того, воспринимаемая громкость зависит от частоты звука. К примеру, на малой громкости низкие и высокие частоты слышны хуже. Это как раз следствие того, что человеческое ухо заточено под средние частоты, позволяющие распознавать речь. Эффективная коммуникация — одно из главных эволюционных преимуществ человека, поэтому эволюция и наделила нас тем слуховым диапазоном, что мы имеем.
В свою очередь, эволюционные преимущества других животных могут отличаться. К примеру, летучие мыши ориентируются в пространстве, издавая и улавливая ультразвук, поэтому и слышат до 200 кГц. А большая восковая моль часто становится добычей летучих мышей, поэтому ей пришлось развить слуховой диапазон до 300 кГц, чтобы избегать встреч с ужасом, летящим на крыльях ночи. Кошка слышит ультразвук, потому что многие грызуны общаются на высоких частотах, а киты слышат инфразвук, чтобы общаться самим, потому что низкочастотные волны лучше передаются на большие расстояния.
Фундаментальная частота голоса мужчины — в районе 80-150 Гц, женщины — 150-250 Гц. Однако телефонные линии обрезают в звуке все, что ниже 300 Гц и выше 3,5 кГц. Почему? Потому что кроме фундаментальной частоты есть еще обертона. Это призвуки, которые появляются из-за того, что у человека звучат не только голосовые связки, но и гортань, голова, да и все тело целиком. Обычно они находятся выше основного тона, поэтому так и называются.
У мужчин обертона голоса достигают 4 кГц, у женщин — 5-6 кГц. Они сильно влияют на звучание, благодаря им мы можем отличить одного человека от другого и даже определить по голосу его телосложение. Соответственно, именно они, а не фундаментальный тембр, важны для телефонных переговоров.
Частоты музыки
Бас гитара, как и контрабас, обычно настраиваются в ми контроктавы — это 41 Гц, гитара — на октаву выше, 82 Гц. Скрипка, один из самых писклявых инструментов в оркестре, начинается с соль малой октавы (196 Гц) и заканчивается на ля четвертой октавы (440 Гц). Диапазон большинства фортепиано — от ля субконтроктавы (27,5 Гц) до до 5 октавы (523 Гц).
Как можно заметить, диапазон большинства музыкальных инструментов находится довольно низко по спектру, не выше 4-5 кГц. Зачем тогда вообще что-то выше условных 5 кГц в аудиотехнике?
К слову, первые граммофоны умели воспроизводить от 170 до 2 000 Гц, а с появлением электронной записи их диапазон расширился на 2,5 октавы — от 100 до 5 000 Гц. То есть как раз, чтобы воспроизводить диапазон голоса и большинства инструментов в оркестре. А другой музыки в 20-х годах прошлого века и не было.
Однако, как и в случае с человеческим голосом, решающую роль играют обертона. Они также зависят от «телосложения» инструмента — его габаритов, плотности дерева или металла, массы и т. п. Ведь когда нажимаешь клавишу ля на фортепиано — звучит не чистый синус, а весь инструмент целиком, включая и ноты ля в других октавах — они начинают колебаться в унисон. На этом эффекте основано звучание ситара — у него есть дюжина резонирующих струн, производящих характерный звон.
Более того, даже части самой струны, кратные ее длине, начинают колебаться в унисон. К примеру, половина, треть, четверть, пятая части струны будут издавать обертона на октаву или несколько октав выше фундаментальной частоты.
Обертона, которые кратны основному тону, называют гармоническими, или, попросту, гармониками. Именно они придают инструменту свой уникальный характер звучания, именно в них вся красота, именно количеством обертонов хороший инструмент отличается от плохого. Благодаря обертонам и гармоникам музыка предстает перед нами во всей полноте. Для них и нужен этот, на первый взгляд, пустой участок от 5 до 20 кГц.
Частотный диапазон у аудиотехники
Производители аудиотехники всегда стремились расширить диапазон воспроизводимых частот, чтобы добиться красоты и величественности звучания настоящих инструментов. Во времена ламповой техники верхняя граница едва достигала 12 кГц. Магнитная запись повысила порог до 15 кГц, но даже этот показатель могла выдать только студийная магнитная пленка с высокой скоростью протягивания ленты. У бытового катушечного магнитофона верхняя граница воспроизводимых им частот падает до 10–12 кГц, а в кассетных магнитофонах — и того меньше.
Все изменилось с появлением цифровой записи и CD, позволивших кодировать весь диапазон от 20 Гц до 20 кГц. Но вновь откатилось с появлением интернета и mp3, срезающих значительную часть верхов во имя меньшего объема файлов.
При этом сделать колонки, воспроизводящие весь диапазон, оказалось проще. Одни из первых студийных мониторов на рынке, Altec 604, в некоторых модификациях уже могли воспроизводить от 20 Гц до 22 кГц, а это 70-е годы прошлого века. Большинство современных колонок без проблем воспроизводят до 20 кГц, а нижняя планка зависит от диаметра вуфера, конструкции фазоинвертора и наличия саба.
Также нередко встречаются колонки с диапазоном до 30–40 кГц. Но нужно всегда смотреть на АЧХ, чтобы понять, на какой громкости они могут эти частоты воспроизводить, и будет ли их вообще слышно.
Тем не менее, многие обладатели колонок и наушников с расширенным частотным диапазоном (от 5/10/15 Гц до 30/40/50 кГц) утверждают, что они звучат ярче и/или глубже. Правда, чтобы это услышать, нужно воспроизводить музыку, в которой есть соответствующая информация. К примеру, ютуб режет все, что выше 16 кГц, mp3 даже в 320 bpm режет до 19 кГц, а стандарт CD (16 bit 44.1 кГц) срезает все, что выше 22 кГц. Расширенным диапазоном могут похвастаться стандарты типа DVD-Audio, Super Audio CD, DSD и некоторые другие, но музыки в таких форматах не так уж и много.
Если же наушники еще и беспроводные, то диапазон частот дополнительно ограничен кодеками Bluetooth. Даже Aptx-HD имеет потолок в 19 кГц, и только LDAC от Sony умеет транслировать музыку в высоком разрешении, но многие жалуются на слабое качество сигнала в таком режиме.
Жанры музыки и частоты
Стоит сказать, что не всегда гармоники и обертона делают музыку лучше. Слышимый диапазон можно представить себе, как тесный лифт, инструменты — как его посетителей, а обертона и гармоники — как их вес и габариты. В этом случае оркестр будет похож на группу детей — большинство инструментов не обладают большим диапазоном и занимают строго свое место, поэтому их может поместиться много.
Но в той же рок-музыке звучание инструментов многократно усиливается, обертонов становится слишком много, это больше похоже на сумоистов в пуховиках. Чтобы уместить их в лифт, нужно убрать лишнее — снять пуховики. Этим занимается звукорежиссер — он ограничивает частотный диапазон каждого инструмента фильтрами хай-пасс и лоу-пасс, а с помощью эквалайзера убирает ненужные и выделяет нужные гармоники.
К примеру, электрогитары, вокал и рабочий барабан обычно ограничивают от 100–150 Гц до 8–12 кГц, бас и бочку — от 20–40 Гц до 6–10 кГц и т. п. Да, звучание каждого инструмента становится менее богатым, но за счет этого в общем миксе они не мешают, а дополняют друг друга.
Появление синтезаторов дало возможность сделать чистый синус без обертонов, и уже потом обогатить его нужным количеством гармоник. Это позволило создать очень густой и четкий бас глубиной до 20 Гц, что невозможно проделать с живыми инструментами.
Заключение
Теперь понятно, почему музыка в высоком разрешении — это по большей части всякий джаз, кантри и классика, где сведение выполняется по минимуму, либо вообще отсутствует. Вполне возможно, что такая музыка в ультравысоком разрешении будет звучать максимально живо и естественно в наушниках, играющих от 4 Гц до 51 кГц.
В некоторых жанрах электронной музыки также встречается бас в районе инфразвука. Однако чаще всего электроника, рок и метал не содержат информации за пределами слышимого диапазона. Там все лишние обертона заботливо вырезал господин звукорежиссер, а те, что как-то выжили, добил мастеринг-инженер. Зато осталась самая сочная часть, которую будут отлично воспроизводить любые колонки и наушники.