на что влияют герцы в наушниках
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.
Гид по выбору наушников (часть 3): читаем характеристики
Как известно, знание — сила, особенно в технических вопросах. Основные характеристики наушников, обычно указанные на упаковке, дают представление об их возможностях до прослушивания. Надо лишь разобраться, что к чему.
Чувствительность
Все сталкивались с ситуацией, когда одни наушники звучат громче других при том, что уровень на плеере (или смартфоне) выставлен одинаково. Часто этот факт связывают с разницей в мощности наушников. Но наушники — не усилитель, такая предпосылка в корне неверна.
На самом деле то, насколько громко зазвучат наушники, зависит от их чувствительности. Традиционно этот параметр лежит в пределах 90–120 дБ, причем для большинства моделей доступных на рынке эти рамки уже 95–105 дБ. Чувствительность показывает, насколько громко будут играть наушники при прочих равных. Чем она выше, тем выше максимальная громкость и меньше нагрузка на встроенный усилитель плеера или смартфона. Мной замечена еще одна прямая зависимость: чем дешевле наушники, тем меньше шансов, что их реальная (а не указанная в техническом паспорте) чувствительность будет высокой.
Наушники AKG K 315. Чувствительность — 126 дБ, импеданс — 32 Ом, максимальная входная мощность — 15 мВт.
Мощность
А вот в вопросе мощности не стоит гнаться за ваттами. Особенно когда основной источник музыки смартфон или портативный плеер. При высокой чувствительности достаточно нескольких милливат, чтобы музыка играла громко, а усилитель гаджета не перегружался и экономно расходовал заряд аккумулятора. Да, если выбрать наушники с высокой мощностью, звук, возможно (только возможно), получится солидным и напористым. Но продлится это не так долго, как вам бы хотелось — батарея гаджета под такой нагрузкой начнет стремительно разряжаться. Более того, нередки случаи, когда встроенный усилитель попросту не справляется с мощными наушниками. В итоге и звука хорошего не услышите (рыхлый неглубокий бас), и получите искажения на громкости выше средней.
Для наушников, используемых дома, высокая мощность уже не проблема, ведь предполагается, что они будут использоваться со стационарным усилителем. Тогда высокая мощность поспособствует высокому качеству звука.
Наушники Beyerdynamic DT 1350. Чувствительность — 129 дБ, импеданс — 80 Ом, максимальная входная мощность — 100 мВт
Сопротивление
Еще один фактор, существенно влияющий на качество звучания, расход энергии и в целом определяющий совместимость наушников с усилительной частью, — импеданс. С точки зрения физики импеданс несколько отличается от более понятного термина «сопротивление», но с потребительской точки зрения это не столь важно, поэтому на упаковке наушников вполне можно встретить и такое написание.
Любой усилитель имеет некоторый диапазон нагрузок, с которым он способен работать в оптимальном режиме. Величина импеданса наушников, измеряемая в омах, соответственно, определяет режим работы усилителя. В портативной технике обычно стоят усилители, рассчитанные на работу с импедансом от 16 до 32 Ом. Поэтому именно такие цифры вы встретите у большинства наушников. Однако вполне допустимо использовать с портативной техникой наушники с импедансом 40–60 Ом. Принципиальная разница состоит в том, что для работы последних потребуется больше мощности, а значит, увеличится расход аккумулятора. Также помните, что если сопротивление наушников значительно отличается от рекомендованного, усилитель будет работать во «внештатном» режиме, результатом чего могут стать искажения и общее понижение качества звука. А в крайних случаях, еще и приведет к выходу из строя усилителя или наушников.
Наушники Denon AH-C250. Чувствительность — 109 дБ, импеданс — 87 Ом, максимальная входная мощность — 100 мВт
Высокоомные наушники, чей импеданс исчисляется сотнями омов, стоит использовать только со стационарными усилителями. Чаще всего высокоомные наушники делают для профессиональных целей, хотя их также можно встретить и среди дорогих High End-моделей для бытового использования.
Внимание, если выбираете модель для дома: импеданс наушников должен попадать в пределы рекомендованного диапазона нагрузки, который указывается в технических данных усилителя. Вообще, большинство наушников и усилителей довольно четко делятся на низко- и высокоомные, так что особенных проблем с поиском подходящей пары возникнуть не должно.
Частотный диапазон
Частотный диапазон наушников, наверное, самая простая и понятная величина. Чем он шире, тем качественней звук. Выход заводских параметров за пределы слышимого диапазона, например, 5 Гц – 25 кГц, свидетельствует о том, что края этого самого слышимого диапазона будут воспроизведены без особых потерь. Может быть, потому что это простая величина, да еще и с большими цифрами, производители склонны ее приукрашивать. Часто встречаются стандартные цифры, типа 20 Гц – 20 кГц. И никаких указаний о том, при каких условиях были произведены измерения, не говоря уж о графике АЧХ. 20Г ц и правда могут быть, но с такой громкостью, что услышат их лишь приборы в глухой акустической комнате, где, возможно (только возможно), проходили замеры.
Наушники Sony MDR-1R. Чувствительность — 105 дБ, импеданс — 48 Ом, максимальная входная мощность — 1500 мВт, частотный диапазон — 4–80 000 Гц
Уши против цифр
В заключение обзора основных характеристик хочу избавить читателей от одной распространенной иллюзии, что «наушники с одинаковыми паспортными данными одинаково звучат». Ничуть.
При равном частотном диапазоне, одинаковых чувствительности, мощности и импедансе разные наушники, вероятней всего, заиграют совсем непохоже друг на друга. Поскольку наше впечатление от звучания формируется точностью реакции излучателя, формой частотной характеристики и ряда иных показателей, которые публикуются разработчиками крайне редко, а другие и вовсе не могут быть измерены. К сожалению или к счастью, но современные измерительные приборы еще не достигли тех высот, когда они научатся воспринимать музыкальный сигнал комплексно, как человек. Поэтому, изучив характеристики на предмет совместимости с остальным комплектом оборудования (источник, усилитель), соизмерив их стоимость со своим кошельком, нужно все-таки пойти и послушать их. Иначе никак.
Выбирая себе наушники, можно столкнуться со многими техническим параметрами, характеризующими качество звучания. Мощность, электрическое сопротивление (импеданс), габаритные размеры, масса. Среди них выделяется потребительское свойство, – громкость звучания или, говоря техническим языком, чувствительность наушников.
Технические характеристики, общие понятия
Основные физико-технические параметры, влияющие на качество и громкость звука:
Рекомендации: 9 лучших вакуумных наушников 
, Какое сопротивление наушников лучше 
, Технические характеристики хороших наушников 
Диапазон
Человеческое ухо, в основном, воспринимает частотную составляющую в диапазоне 20
20000Гц. Кто-то больше, кто-то меньше, зависит от анатомических особенностей ушной раковины и чувствительности органов слуха. С возрастом, ухо подсаживается, особенно у верхней границы.
С другой стороны, полный спектр частот важен для людей связанных с музыкой, – композиторам, звукорежиссёрам, артистам и меломанам. Такие свойства характерны для профессиональных или высококачественных бытовых изделий. Спектр составляет 5
42000Гц, что позволяет воспроизводить звук с максимально возможной чистотой.
Сопротивление
Или импеданс, – показатель номинального сопротивления на входе наушников. Полный параметр складывается из двух составляющих, резистивной и реактивной. Величина напрямую связана с резонансной частотой.
Сопротивление наушника взаимосвязано с выходными параметрами источника сигнала. То есть, портативная техника (смартфон, плеер, планшет) ограничена по величине выходного напряжения, но лояльна по уровню тока. Поэтому, наушники целесообразно подбирать низкоомные.
Стационарная техника, с более мощным сигналом, допускает варьирование величины напряжения. Отсюда, предпочтительнее пользоваться высокоомными наушниками.
Мощностные показатели
Обобщённый показатель наушников по мощности находится в диапазоне 1
5000мВт. Несоответствие с параметрами источника электрического сигнала, – превышение, может привести к выходу из строя воспроизводящее устройство.
Для получения качественного звучания со смартфона или радиоплеера достаточно нескольких милливатт. Использование более высоких показателей приведёт к быстрому расходу заряда аккумулятора. Кроме этого, звук станет ущербным по частотам, возникнут значительные искажения сигнала. Отсюда, высокая чувствительность наушников компенсирует недостаточную, на первый взгляд, мощность воспроизведения.
Мощные конструкции можно смело применять со стационарными источниками сигнала. Встроенный усилитель обеспечит необходимый уровень. Звук будет чистый и высокого качества.
5 лучших наушников до 1000 рублей 
Степень искажения
Конструкция наушников не может обеспечить сто процентное качество звука. Отклонение от нормативных показателей менее чем на 0.5%, считается высококачественным воспроизведением. Показатель 0.5
2.0% свидетельствует о среднем и посредственном звучании.
Чувствительность
Характеристика отражает громкость звучания наушников. Параметр измеряется в децибелах (дБ). Верхний порог находится в диапазоне 100
120дБ. Силу звука определяет размер магнитного сердечника, чем он больше, тем чувствительнее наушники.
Понятно, что у мини устройств, габариты сердечника невелики. Отсюда, вкладыши, таблетки, вакуумные наушники имеют низкий порог чувствительности. Ощущение громкого звучания достигается близким расположением мембраны к барабанной перепонке. Накладные и полноразмерные конструкции обладают увеличенным сердечником и большей гибкой перепонкой. Соответственно, имеют повышенную мощность и чувствительность.
Одинаковый сигнал, поданный на разные виды наушников, будет воспроизводиться неодинаково. Громче при большей чувствительности, тише – с меньшим порогом. В сопроводительной документации производитель, как правило, отражает значения параметра. Но, единого стандарта не существует. Поэтому, одинаковые, на первый взгляд, устройства, звучат с отличной громкостью у разных производителей.
Выбор наушников по чувствительности
Громкость звучания необходима для более полного восприятия всего частотного диапазона и возможность слышать звуковой сигнал в местах с повышенным внешним шумом, – метро, трамвай, оживлённые транспортные магистрали и т.п. Кроме технических возможностей наушников, требуется учитывать источник сигнала. Самые распространённые:
Наушники для смартфона
Гаджет имеет компактные размеры. Соответственно, габариты наушников и технические возможности устройства должны быть адаптированы друг к другу по мощности. Дополнительное уточнение, – к мобильному телефону может выбираться гарнитура, для возможности беседы по телефонной линии.
Поэтому, чувствительность определяется назначением наушников. Либо для ведения переговоров по мобильной связи, либо совмещение с прослушиванием музыки. Качество речи может быть одинакова, но музыкальный сигнал будет ограничен. Отсюда, следует обращать внимание на показатели, приводимые производителем в сопроводительной документации.
5 лучших игровых наушников с микрофоном 
Наушники для плеера
Обычно, плеер предлагается в комплекте с наушниками. Но, при отличных характеристиках источника сигнала, воспроизводящее устройство может не передавать весь диапазон звукового сигнала, иметь неудовлетворительную чувствительность.
Оптимальная конструкция, – вкладыши (вакуумные) с мощностью до 40мВт. Для мощного (по источнику питания) плеера подойдут накладные наушники с показателем от 300мВт и более. Хорошее качество звука обеспечит чувствительность в пределах 100дБ. Сопротивление в диапазоне 16
32Ом, больше не требуется, – качество звука останется прежним.
Компьютер
Для персонального устройства наушники выбираются для участия в электронных играх и прослушивания музыки. Тип, – накладные или полноразмерные (мониторные). Частотный диапазон не менее 20
20000Гц. Чувствительность от 100дБ и выше. Мощность свыше 300мВт. Но, включать на полный звук не рекомендуется. В противном случае, можно быстро посадить слух.
Как подключить наушники к телевизору 
Телевизор
Источник сигнала – стационарное устройство, поэтому, мощность наушников можно довести до 600
800мВт и выше. Сопротивление не более 64Ом. Самые удобные – накладные или полноразмерные виды. Кроме прослушивания фильмов, учебных программ, используются для просмотра музыкальных передач. Отсюда, частотный диапазон составляет 20
20000Гц и шире (для музыкальных центров), чувствительность не ниже 100дБ.
Подводя итоги
Самая оптимальная чувствительность наушников находится в районе 100±1%. И является лучшей для устройств, сопряжённых с мобильными источниками сигнала, – смартфонами и плеерами.
Тематические материалы: 5 лучших наушников JBL 
, 5 лучших наушников с костной проводимостью звука 
, 6 лучших наушников для бега 
, 6 лучших студийных наушников 
, 7 лучших наушников Denon 
, 7 лучших наушников вкладышей 
, 8 лучших арматурных наушников 
, 9 лучших наушников Sennheiser 
, Как выбрать наушники для прослушивания музыки на телефоне и компьютере 