Что мы знаем о наушниках?

Головные телефоны или, для краткости, наушники принадлежат к тому же классу физических приборов, что и микрофоны - это электроакустические преобразователи. Это как бы "микрофон наоборот". Все наиболее распространенные типы электроакустических преобразователей подчиняются принципу взаимности, сформулированному Г. Гельмгольцем, то есть могут работать и как излучатель, и как приемник - если подсоединить головной телефон динамического типа к предусилителю, его можно использовать как микрофон, правда, довольно низкого качества. (Когда-то для озвучивания большого барабана мы за неимением лучшего использовали вынутый из радиоприемника динамик 4ГД2, - "шлепок" колотушки передавался очень явственно).

Говоря о цене, то действительно качественные "уши" стоят как минимум 100 $.

В любых электроакустических преобразователях происходит двойное преобразование энергии -сначала электромеханическое, потом механоакустическое. В результате первого электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний механической системы диффузора, связанного с помещенной в постоянное магнитное поле катушкой индуктивности. Во втором случае механические колебания создают звуковое поле.

Упрощенно говоря, микрофоны от громкоговорителей отличаются вектором преобразования энергии.

За последнюю четверть века - с тех пор, как появились первые портативные кассетные магнитофоны - головные телефоны перестали быть предметом роскоши. Массовый спрос заставляет производителей искать все новые варианты дизайна и формы конструкции - от классических с оголовьем (headphones) до миниатюрных "таблеток", вкладываемых в ушную раковину (earphones). А чего стоит замечательный "хомут" Sennheiser Surrounder, предложенный компанией Sennheiser в качестве альтернативы комплекту мониторов для Surround-систем! Однако все это многообразие принадлежит к одному типу наушников, в которых используются электродинамические излучатели, по-простому - динамики. Отсюда и название - динамические наушники.

Наплечные мониторы Sennheiser Surrounder Наушники с электродинамическими излучателями получили широкое распространение в силу того, что производителям было проще организовать их массовое производство. Однако некоторые выпускают для разнообразия и экзотику, например, наушники с электростатическими излучателями. Их действие основано на изменении силы притяжения обкладок конденсатора, одна из которых является излучающей мембраной при изменении подаваемого на них напряжения. (Это как бы "конденсаторный микрофон наоборот").

Несмотря на преимущества в звучании (в частности, в локализации источников), электростатические наушники не пользуются широким спросом из-за дороговизны. Кроме того, у тех, кто подробно знаком с принципом их работы, может возникнуть сомнение - стоит ли помещать собственную голову между проводниками с электрическим потенциалом в несколько сотен вольт?

Эксплуатационные показатели и качество звучания



Работа динамических наушников характеризуются электроакустическим КПД, чувствительностью и импедансом, которые, в свою очередь, зависят от воспроизводимой частоты.

Чувствительность - основной показатель эффективности головных телефонов. Для того чтобы наушники выдавали максимально возможное звуковое давление, требуется напряжение всего в несколько милливольт.

Почти все современные динамические наушники имеют чувствительность более 90 дБ/мВт. Портативные - чуть большую (около 100 дБ/мВт) из-за низкой выходной мощности устройств, с которыми они используются: переносными радиосистемами, минидиск - плеерами, репортерскими диктофонами и т. д.

Тем, кто не хочет вникать в технические подробности, следует уяснить, что для того, чтобы уровнять по громкости наушники с большей и меньшей чувствительностью (при одинаковом импедансе), для последних нужно увеличить уровень сигнала на выходе источника.

Между прочим, на уровень звукового давления, передаваемого излучателем барабанной перепонке, также существенно влияют физические свойства материала, из которого изготовлен диффузор, а также конструкция амбушюров, оголовья и корпусов - чашек (earcups), в которых закреплены динамики. В зависимости от вида последних динамические наушники называются открытыми или закрытыми.

Прежде, чем приступить к описанию этих двух видов, следует договориться о терминах, которые непременно встречаются в спецификациях, и используются для описания конструкции амбушюра - мягкой подушечки или валика, непосредственно прилегающих к голове слушателя. Термин supra-aural означает "прямо на ухе" ("подушечка"), a circum-aural - "вокруг уха" (валик). Есть еще термин intra-aural, означающее "внутри уха" - его применяют для описания амбушюров миниатюрных наушников.

Итак, открытые наушники, прежде всего, очень легкие, из-за открытых сзади, т. е. акустически прозрачных, чашек. Для этого вида наушников применяют как supra-aural, так и circum-aural амбушюры. Акустическая прозрачность означает практически полное отсутствие собственных резонансов корпуса-чашки, но также и падение уровня на низких частотах, а также достаточно сильное проникновение окружающих шумов. При большой громкости открытые наушники сильно излучают звук - настолько, что исполнителям не разрешают пользоваться ими при записи акустических инструментов и вокала.

Несложно понять, что закрытые наушники называются так потому, что их чашки закрыты сзади. Для этого вида используют исключительно circum-aural амбушюры. Хорошо сконструированные закрытые наушники обеспечивают лучший контакт излучающей мембраны с ухом. Не в последнюю очередь поэтому они позволяют лучше воспринимать низкие частоты, до некоторой степени передавая соответствующие колебания костям черепа. Плотно прилегающие к голове, герметично охватывающие ушные раковины амбушюры блокируют проникновение звуков извне. Как следствие - очень чистое и детальное звучание при минимальной "утечке" звука. Однако работать в закрытых наушниках менее комфортно - они тяжелее открытых.

Следует также учитывать, что при правильном соотношении резонансов закрытого корпуса и диффузора в некоторой степени увеличивается электроакустический КПД наушника. Зато при неправильном - очень скоро упадет до нуля КПД звукорежиссера.

Импеданс наушников - это внутреннее сопротивление, или нагрузка для источника электрической энергии (и звукового сигнала). Известно, что чем больше импеданс электроакустического преобразователя, тем "удобнее" работать усилителю. Однако высокий импеданс также является причиной неравномерности амплитудно-частотной характеристики в самом динамике. Поэтому лучшие профессиональные модели наушников имеют номинальный импеданс от 200 до 600 Ом, а их высокая стоимость обусловлена в том числе и затратами на борьбу с искажениями. А у среднестатистических моделей бытовых и полупрофессиональных наушников импеданс меньше 100 Ом (чаще всего 32 Ома). В принципе, наушники с большим импедансом звучат лучше, но с меньшей громкостью - это касается и громкоговорителей.

Случается, что изготовители выпускают модели наушников одинаковой конструкции, но с различными импедансами (например Beyerdynamic DT100). Обратите внимание, что более громко будет звучать модификация с меньшим импедансом, правда, и искажений от усилителя будет больше.

В студиях часто требуется раздать сигнал одновременно на несколько наушников. И, как правило, недорогие усилители для наушников не имеют запаса по мощности для подключения нескольких высокоомных наушников. Поэтому для работы с ними, а также с выходами на наушники в бытовой технике, хорошо подойдут наушники с низким импедансом (32...64 Ома).

При необходимости для выполнения этой задачи можно модифицировать самый обычный усилитель мощности. Простейший вариант: встроить перед выходами делители напряжения - всего три резистора на канал! Один - проволочный, большой мощности, впаивается в разрыв сигнала - он будет ограничивать ток. Последовательная пара резисторов, один из которых с переменным, а второй - с постоянным номиналом, соединяет или разъединяет сигнал и "землю". Так как мы работаем со стереосигналом, для удобства регулировки следует на каждой паре выходов использовать сдвоенный переменный потенциометр. Эта пара позволит согласовывать различные марки наушников и уровни громкости между выходами. Есть и более технически совершенные методы, например, сделать выходной каскад усилителя с фиксирование низким импедансом.

Принципиальные отличия в звучании наушников и громкоговорителей



Прежде, чем звук от громкоговорителей естественным путем достигнет барабанных перепонок, его акустические параметры изменят "естественные препятствия" - голова и ушные раковины слушателя. Кроме того, излучаемые громкоговорителями звуковые волны взаимодействуют друг с другом - возникают перекрестные помехи - и с отражениями в помещении. Результирующее звуковое поле является комплексом сдвинутых по фазе амплитуд, которые могут усиливать, уничтожать и/или задерживать специфические частоты. Эти изменения в целом производят то, что в психоакустике называется "связанная с головой функция преобразования" (Head Related Transform Function, HRTF). Для нашего мозга эта информация необходима, так как именно ориентирование в пространстве и оценка окружающего по критерию "свой-чужой" является доминантой мозговой деятельности. По крайней мере, мы привыкли к такому алгоритму.

Поскольку конусы диффузоров и амбушюры в наушниках направляют звуковые волны каждого канала прямо на барабанные перепонки, HRTF-изменений не происходит. Испытывая недостаток в пространственных параметрах, мозг отображает звуковое поле на прямой линии между ушами. В стандартных наушниках невозможно определить, как изменения фазы и амплитуды в одном звуковом канале повлияют на другой при воспроизведении через громкоговорители. Следовательно, впечатления от прослушивания одной и той же записи через наушники и громкоговорители будут принципиально различны.

Еще один факт: чем большее расстояние проходит звуковая волна, тем беднее ее высокочастотная составляющая. Расстоянием от диффузоров наушников до барабанной перепонки можно пренебречь, поэтому звуковой материал в наушниках звучит ярче, чем, скажем, в звуковом поле мониторных громкоговорителей средней и дальней зоны, не говоря о концертной акустике.

Если сравнивать наушники и громкоговорители по уровню искажений и неравномерности АЧХ, очевидно, что низкие частоты громкоговорители воспроизводят лучше. Зато наушники дают меньший уровень искажений на больших уровнях громкости (среднестатистический для громкоговорителей 1% при среднем уровне громкости появляется в наушниках лишь на уровне болевого порога!).

Что касается АЧХ, то у наушников она обычно гораздо глаже. Опять же, то, что наши уши ощущают (а мозг интерпретирует), как "ровную" отдачу в слышимом диапазоне, фактически представляет собой множество пиков и спадов. Поэтому звучание наушников с идеально плоской частотной характеристикой вряд ли кому-то понравилось бы.


Заключение



С одной стороны, из-за принципиальных различий в характеристиках звукового поля (АЧХ, перекрестных помех и пространственного расположения КИЗ'ов) миксы, сделанные в наушниках и громкоговорителях, звучат по-разному. Следует использовать оба типа контроля, причем предпочтение отдавать все-таки громкоговорителям.

С другой стороны, те, с кем звукорежиссеру приходится общаться по работе, например, вокалисты, предпочитают открытые наушники. Так они лучше слышат собственный голос при записи наложением, и могут не беспокоится о нарушении слуха. Те же, кому предлагают поработать с закрытыми наушниками, "усовершенствуют" их - снимают один наушник, чтобы лучше слышать себя и звуки вокруг. В этом случае звукорежиссеру не следует спорить -чтобы избежать проникновения лишних звуков в микрофон, проще и конструктивнее просто заглушить этот канал.

Можно также отметить, что для записи и для сведения могут понадобиться разные виды наушников. Отстраивать детали микса, например, уровень реверберации в каналах, удобнее в закрытых наушниках, а составить общее впечатление о записанном материале - в открытых. В свою очередь, концертные звукорежиссеры вообще редко используют наушники открытого типа из-за недостаточной акустической изоляции и явного ослабления низких частот.

Как говорится, больше наушников - хороших и разных!