Какое сопротивление в наушниках должно быть и что такое импеданс

Какое лучше выбрать?

Показатель импеданса наушников зависит от того, в сочетании с каким оборудованием будут работать эти акустические девайсы. Например, для обычных стационарных устройств подходят аудиоаксессуары с рекомендуемым сопротивлением в 120-150 Ом. А для телефона, планшета и плеера подойдут значения намного меньше, всего 16-40 Ом.

Для компьютера, музыкальной системы нужны полноразмерные высокоомные наушники с сопротивлением до 120 Ом. Это приборы с выходным напряжением больше 4 В. Такое большое значение могут выдавать только стационарные аппараты, подключенные к электросети. Поэтому для связки с ними следует подбирать аксессуары с соответствующим импедансом.

При высоком выходном напряжении (больше 200 мВ) лучше подобрать «уши» с низкой чувствительностью, с уровнем сопротивления от 32 Ом. Они меньше тратят электроэнергию. Для успешного функционирования высокоомных аудиоаксессуаров требуется специальный усилитель звука.

В устройствах небольших размеров выходное напряжение в основном не превышает 1 В, поэтому и импеданс в наушниках не должен быть высоким. В противном случае звук станет тише. По такому же принципу можно определить, какой импеданс нужен для смартфона. Согласовать аудиоаксессуары с источником может помочь правило 1/8. Оно предполагает, что уровень сопротивления источника на выходе должен быть в 8 раз меньше импеданса в наушниках. Например 2 Ом к 16 Ом.

Но если нет возможности рассчитать, следует запомнить следующее.

Низкоомные «уши» дают большую громкость, но снижают время автономной работы устройства. Они подходят для портативных устройств.
Высокоомные гаджеты будут звучать тише, но более экономно расходовать батарею. Их лучше использовать в сочетании со стационарным оборудованием.

Здесь стоит решить для себя, что в приоритете – желание наслаждаться звуком на большой громкости или экономно расходовать заряд. Для выбора подходящих наушников нужно учитывать наивысший уровень напряжения, от которого зависит выходная мощность устройства (закон Ома). То есть при увеличении громкости напряжение на выходе будет расти, и ток будет расходоваться в зависимости от сопротивления нагрузки. Согласно этой формуле можно сделать расчет. Чтобы узнать, какой импеданс требуется для устройства, можно попробовать найти оптимальный показатель вслепую. Нужно просто послушать звучание на средних параметрах и подвинуть значения Ом в нужную сторону.

Определение

Импедансом z^(jω){\displaystyle {\hat {z}}(j\omega )\;} называется отношение комплексной амплитуды напряжения гармонического сигнала, прикладываемого к двухполюснику, к комплексной амплитуде тока, протекающего через двухполюсник. При этом импеданс не должен зависеть от времени: если время t в выражении для импеданса не сокращается, значит, для данного двухполюсника понятие импеданса неприменимо.

z^(jω)=u^(jω,t)i^(jω,t)=U(ω)ej(ωt+ϕu(ω))I(ω)ej(ωt+ϕi(ω))=U(ω)ejϕu(ω)I(ω)ejϕi(ω)=U^(jω)I^(jω){\displaystyle {\hat {z}}(j\omega )\;={\frac {{\hat {u}}(j\omega ,t)\;}{{\hat {i}}(j\omega ,t)\;}}={\frac {U(\omega )e^{j(\omega t+\phi _{u}(\omega ))}}{I(\omega )e^{j(\omega t+\phi _{i}(\omega ))}}}={\frac {U(\omega )e^{j\phi _{u}(\omega )}}{I(\omega )e^{j\phi _{i}(\omega )}}}={\frac {{\hat {U}}(j\omega )\;}{{\hat {I}}(j\omega )\;}}}

(1)

Здесь

j — мнимая единица;
ω{\displaystyle \omega } — циклическая (круговая) частота;
U(ω){\displaystyle U(\omega )}, I(ω){\displaystyle I(\omega )} — амплитуды напряжения и тока гармонического сигнала на частоте ω{\displaystyle \omega };
ϕu(ω){\displaystyle \phi _{u}(\omega )}, ϕi(ω){\displaystyle \phi _{i}(\omega )} — фазы напряжения и тока гармонического сигнала на частоте ω{\displaystyle \omega };
U^(jω){\displaystyle {\hat {U}}(j\omega )\;}, I^(jω){\displaystyle {\hat {I}}(j\omega )\;} — Комплексные амплитуды напряжения и тока гармонического сигнала на частоте ω{\displaystyle \omega };

Исторически сложилось, что обозначение импеданса, комплексных амплитуд и других комплекснозначных функций частоты записывают как f(jω){\displaystyle f(j\omega )}, а не f(ω){\displaystyle f(\omega )}. Такое обозначение показывает, что мы имеем дело с комплексными представлениями гармонических функций вида ejωt{\displaystyle e^{j\omega t}}. Кроме того, над символом, обозначающим комплексный сигнал или комплексный импеданс, обычно ставят «домик» или точку: U˙(jω){\displaystyle {\dot {U}}(j\omega )\;} чтобы отличать от соответствующих действительных (некомплексных) величин.

Физический смысл

Алгебраическая форма

Если рассматривать комплексный импеданс как комплексное число в алгебраической форме, то действительная часть соответствует активному сопротивлению, а мнимая — реактивному. То есть двухполюсник с импедансом z^(jω){\displaystyle {\hat {z}}(j\omega )\;} можно рассматривать как последовательно соединенные резистор с сопротивлением ℜ(z^(jω)){\displaystyle \Re ({\hat {z}}(j\omega ))} и чисто реактивный элемент с импедансом ℑ(z^(jω)){\displaystyle \Im ({\hat {z}}(j\omega ))}

Рассмотрение действительной части полезно при расчёте , выделяемой в двухполюснике, поскольку мощность выделяется только на активном сопротивлении.

Тригонометрическая форма

Пример графического представление импеданса на комплексной плоскости

Если рассматривать импеданс как комплексное число в тригонометрической форме, то модуль соответствует отношению амплитуд напряжения и тока (сдвиг фаз не учитывается), а аргумент — сдвигу фазы между током и напряжением, то есть на сколько фаза тока отстаёт от фазы напряжения или опережает.

Какие выбрать

При выборе на основе сопротивления в наушниках требуется учитывать технику, которая будет использоваться. Любое устройство имеет усилитель. Чтобы избежать искажение звука требуется согласование наушников с источником. При выборе аудиоаксессуара требуется полагаться на правило 1/8.

Импеданс на источнике должен быть меньше 1/8 от сопротивления аксессуара. Например для приспособлений с 16 Ом выходное сопротивление на телефоне не должно превышать 2 Ом. Иначе аксессуар даст плохое качество звука.

Для телефона, ноутбука или плеера

Данную категорию устройств относится к компактным. По этой причине рекомендуется приобретать вкладыши, характеризующиеся небольшими размерами. При выборе следует учитывать уровень выходного напряжения на устройстве, а также потребляемую мощность и импеданс наушников.

Для раскрытия потенциала высокоомных наушников нужен мощный усилитель. Смартфоны, плееры и ноутбуки не могут похвастаться этим. Выходное напряжение редко превышает 1В. По этой причине нагрузка выше 50 Ом в наушниках нежелательна. В противном случае уменьшится проработка низких частот, звук станет тише. Значит такая нагрузка нежелательно для смартфонов. Плееры типа хай-фай имеют выходное напряжение до 4В. ПО этой причине оптимальным вариантом будут приспособления до 120 Ом.

Для стационарных компьютеров, музыкальных систем

Для устройств с мощным усилителем подойдут высокоомные полноразмерные наушники. Портативная техника характеризуется ограничениями выходного напряжение, однако жестких рамок для уровня тока нет. Аксессуар позволит раскрыть возможности стационарного пк, профессиональных систем, телевизоров.

Аналогия с электрическим сопротивлением проводника на примере резистора

Резистор — пассивный элемент, обладающий чисто активным сопротивлением. Реактивная составляющая комплексного сопротивления резистора равна нулю, так как соотношение между напряжением на резисторе и током через него не зависит от частоты тока/напряжения, а так же из-за того, что резистор является пассивным элементом (поскольку не содержит внутренних источников энергии). Если к его концам приложить некоторое напряжение U (подсоединить источник напряжения), то через резистор пойдёт электрический ток I. Если через резистор пропустить электрический ток I (подсоединить источник тока), то между концами резистора возникнет падение напряжения U. Резистор характеризуется электрическим сопротивлением, которое равно отношению напряжения U, к току I (см. закон Ома для участка цепи):

R=UI.{\displaystyle R={\frac {U}{I}}.}

Применение понятия «электрическое сопротивление» к реактивным элементам (катушка индуктивности и конденсатор) при постоянном токе приводит к тому, что:

сопротивление идеальной катушки индуктивности стремится к нулю:

если пропустить через идеальную катушку индуктивности некоторый постоянный ток I, то при любом значении I, падение напряжения на катушке будет нулевым:

U=;{\displaystyle U=0;}

R=UI=I=;{\displaystyle R={\frac {U}{I}}={\frac {0}{I}}=0;}

сопротивление идеального конденсатора стремится к бесконечности:

если приложить к конденсатору некоторое постоянное напряжение U, то при любом значении U, ток через конденсатор будет нулевым:

I=;{\displaystyle I=0;}

R=UI=U=∞.{\displaystyle R={\frac {U}{I}}={\frac {U}{0}}=\infty .}

Это справедливо лишь для постоянного тока и напряжения. В случае же приложения к реактивному элементу переменного тока и напряжения, свойства реактивных элементов существенно иные:

напряжение между выводами катушки индуктивности не равно нулю;
ток, протекающий через конденсатор, не будет равен нулю.

Такое поведение не может быть описано в терминах активного сопротивления для постоянного тока, поскольку активное сопротивление предполагает постоянное, не зависящее от времени соотношение тока и напряжения, то есть отсутствие фазовых сдвигов между током и напряжением.

Было бы удобно иметь некоторый параметр аналогичный активному сопротивлению и для реактивных элементов, который бы связывал ток и напряжение на них подобно активному сопротивлению в формуле закона Ома для постоянного тока.

Такую характеристику можно ввести, если рассмотреть свойства реактивных элементов при воздействиях на них гармонических сигналов. В этом случае ток и напряжение оказываются связаны некой константой (подобной в некотором смысле активному сопротивлению), которая и получила название «электрический импеданс» (или просто «импеданс»). При рассмотрении импеданса используется комплексное представление гармонических сигналов, поскольку именно в таком представлении одновременно учитывается и амплитудные, и фазовые характеристики гармонических сигналов и откликов систем на гармоническое воздействие.

Сравнение с цепью постоянного тока

Необходимость в отдельном термине, описывающем сопротивление в цепях переменного тока, возникла в конце 19-го века, когда появилась техническая возможность быстрой передачи электрической энергии на большие расстояния.

Основным законом, описывающим движение постоянного тока, является известный школьникам закон Ома. Он говорит о том, что напряжение, приложенное на концах участка цепи, приводит к появлению тока. Ток будет сильным, если сопротивление проводов маленькое, и слабым, если сопротивление большое. Это так называемое активное сопротивление. Оно связано с хаотическим тепловым движением электронов в металле и их торможением из-за притяжения к ионам кристаллической решетки.

В цепь переменного тока включаются элементы, которые называются реактивными: катушка индуктивности и конденсатор. Они тоже уменьшают силу тока, но физические причины этих эффектов иные. Характеристика, которая позволяет измерить зависимость между силой тока и напряжением при электромагнитных колебаниях, происходящих в цепи переменного тока, называется импеданс.

Аналогия с электрическим сопротивлением проводника на примере резистора

Резистор — пассивный элемент, обладающий чисто активным сопротивлением (реактивная составляющая сопротивления отсутствует, так как поведение резистора не зависит от частоты тока/напряжения; пассивный элемент, поскольку не содержит внутренних источников энергии). Если к его концам приложить некоторое напряжение U (подсоединить источник напряжения), то через резистор пойдёт электрический ток I. Если через резистор пропустить электрический ток I (подсоединить источник тока), то между концами резистора возникнет падение напряжения U. Резистор характеризуется электрическим сопротивлением, которое равно отношению напряжения U, к току I (см. закон Ома для участка цепи):

R=UI.{\displaystyle R={\frac {U}{I}}.}

Попытка применения понятия «электрическое сопротивление» к реактивным элементам (катушка индуктивности и конденсатор) приводит к тому, что:

сопротивление идеальной катушки индуктивности стремится к нулю:

если пропустить через катушку некоторый постоянный ток I, то при любом значении I, падение напряжения на катушке будет нулевым

U=;{\displaystyle U=0;}

R=UI=I=;{\displaystyle R={\frac {U}{I}}={\frac {0}{I}}=0;}

сопротивление идеального конденсатора стремится к бесконечности:

если приложить к конденсатору некоторое постоянное напряжение U, то при любом значении U, ток через конденсатор будет нулевым

I=;{\displaystyle I=0;}

R=UI=U=∞.{\displaystyle R={\frac {U}{I}}={\frac {U}{0}}=\infty .}

Но это справедливо лишь для постоянного тока и напряжения. В случае же переменного тока и напряжения свойства реактивных элементов существенно иные:

разность напряжений на концах катушки индуктивности не равна нулю;
ток, протекающий через конденсатор, не равен нулю.

Такое поведение сопротивлением уже не описывается, поскольку сопротивление предполагает постоянное, не зависящее от времени соотношение тока и напряжения, то есть отсутствие фазовых сдвигов тока и напряжения.

Было бы удобно иметь некоторую характеристику и для реактивных элементов, которая бы при любых условиях связывала ток и напряжение на них подобно сопротивлению. Такую характеристику можно ввести, если рассмотреть свойства реактивных элементов при воздействиях на них гармонических сигналов. В этом случае ток и напряжение оказываются связаны некой стабильной константой (подобной в некотором смысле сопротивлению), которая и получила название «электрический импеданс» (или просто «импеданс»). При рассмотрении импеданса используется комплексное представление гармонических сигналов, поскольку именно оно позволяет одновременно учитывать и амплитудные, и фазовые характеристики сигналов и систем.

Оптимальные значения импеданса для использования с различными устройствами

Большое сопротивление задает низкую чувствительность в наушниках. Если вы будете использовать наушники с различным импедансом на одном и том же воспроизводящем устройстве, заряд батареи автономного питания будет расходоваться с разной скоростью. Это происходит потому, что приборы с отличающимися показателями сопротивления потребляют разное количество электроэнергии. Чтобы лучше представить, какое сопротивление подходит определенным типам техники, рассмотрим несколько примеров.

Некоторые виды портативных звуковоспроизводящих приборов:

Смартфон. Чтобы звук из смартфона звучал лучше, стоит выбирать наушники с номинальным сопротивлением в 22 Ом. Однако в этом случае заряд устройства будет тратиться на проигрывание звуковых файлов. На мобильных устройствах неудобно иметь быстрый расход тока. Чтобы заряд дольше не кончался, возьмите наушники 32 Ом. Перечисленные стандартные значения в 22 и 32 Ом хорошо работают в наушниках для iPhone. Мониторные наушники для профессиональной звукозаписи стоит использовать со смартфоном только если к ним попутно подключен хороший портативный усилитель звука. Помимо этого, нужен также плеер с мощной аудиокартой. Для смартфона подходит низкоомная аппаратура.
Обычный плеер хорошо совместим с девайсами, у которых сопротивление составляет 16 Ом. Если в устройстве напряжение на выходе составляет более чем 200 мВ, возьмите наушники с чувствительностью пониже. Подойдет и импеданс наушников в 32 Ом. Такие девайсы тратят меньше электроэнегрии, а значит – продлевается время работы прибора.

Среднее сопротивление в наушниках с арматурным устройством и на одном драйвере, выше. Это позволяет гаджету, воспроизводящему звук, работать дольше. Заряда смартфонов и плееров хватает на больший срок

Это важно, поскольку в современных приборах и без того достаточно программ, усиленно расходующих электричество даже в фоновом режиме

Многодрайверные приборы арматурного типа, напротив, имеют среднее сопротивление ниже. То же относится к типу динамических приборов. Это позволяет технике подолгу работать без нужды в дополнительном заряде.

Физический смысл

Алгебраическая форма

Тригонометрическая форма

Пример графического представление импеданса на комплексной плоскости

На что влияет импеданс?

Чувствительность.

Данная характеристика немного связана с мощностью, но более с категориями напряжение и ток. Многие покупатели уверены, что чувствительность тождественно понятию «громкость», но это не совсем так. Это утверждение больше подойдёт при выборе колонок. В случае с наушниками это понятие означает немного иное.

Чувствительность как параметр стоит отнести к напряжению. Обычно она равняется ста децибелам и для большинства моделей будет одинакова. Как правило, наушники с показателем выше ста сорока ни одна фирма не выпустит. Выше ста сорока децибел человеческий слух не выдержит!

Чувствительность надо определять не по такому показателю, как мощность, а скорее, по напряжению

Только так можно сопоставить наушники по «громкости». Обратите внимание, что разные наушники на одинаковых устройствах звучат с разной громкостью

Период работы устройства.

Немногие знают, но высокий импеданс повышает длительность работы устройства, да и заряжать его надо реже. Связано это с тем, что модели наушников, относящиеся к высокоомной разновидности, расходуют меньше энергии.

В случае с различными навороченными смартфонами человек лишается возможности выбирать. Тут подойдут модели только с низким импедансом. Единственный выход из этой ситуации присмотреть к тем изделиям, которые работают в диапазоне примерно в тридцать ОМ. Тогда уровень потребляемой зарядки станет чуть ниже.

Приобретая наушники, не стоит вестись на красивую упаковку. Намного важнее — начинка и технические показатели. На разработку дизайна, на опрос потребителей отделы маркетинга крупных компаний по производству аудиотехники и комплектующих тратят бешеные деньги. В понимании большинства, крутые модели должны обладать мощными басами. Но знающие люди прекрасно понимают, что с такими наушниками быстрее испортите слух. Они должны обладать качественным звучанием и правильно подобранным видом импеданса. Не забывайте об этом, разглядывая очерёдную яркую «пустышку».

И ещё не стоит экономить на них, ведь они напрямую влияют на человеческий слух. Если даже они выглядят не совсем презентабельно, но при этом выше средней цены, не думайте, что вас пытаются обмануть. Просто производитель сделал упор на качество, а не на внешнюю обёртку.

Последовательное соединение

При последовательном соединении, согласно Закону Ома для переменного тока,
во всех элементах цепи ток будет общим I = U/Z, а значения напряжений на каждом элементе определятся пропорционально его сопротивлению:
на выводах резистора U_R = IR; на выводах конденсатора U_C = IX_C; на выводах катушки U_L = IX_L.

Векторы индуктивной и ёмкостной составляющих напряжения направлены в противоположные стороны.
С учётом отрицательного ёмкостного сдвига, общее напряжение на реактивных элементах U_X = U_L — U_C .
Пропорционально напряжению, получим общее реактивное сопротивление X = X_L — X_C .
Векторы напряжений на активной и реактивной составляющей импеданса имеют угол сдвига фаз 90 градусов.U , U_R и U_X представим в виде прямоугольного треугольника напряжений с углом сдвига фаз φ.

Тогда получим соотношение, согласно Теореме Пифагора, U ² = U_R² + U_X² .
Следовательно, с учётом пропорциональности элементов R, L, C значениям напряжений на их выводах,
определим импеданс, который будет равен квадратному корню из суммы квадратов активного и реактивного сопротивлений цепи.

X_L = ωL = 2πfL — реактивное сопротивление индуктивности.X_C = 1/(ωC) = 1/(2πfC) — реактивное сопротивление ёмкости.

Угол сдвига фаз φ и его дополнение до 90° δ
определятся тригонометрическими функциями из треугольника сопротивлений с катетами R, X и гипотенузой Z, как показано на рисунке:

Обычно, для облегчения расчётов, импеданс представляют в виде комплексного числа,
где действительной его частью является активное сопротивление, а мнимой — реактивное.
Для последовательного соединения импеданс можно записать в комплексном виде следующим образом:

Z = R + jX

Тогда в тригонометрической интерпретации модулем этого числа будет импеданс, а аргументом — угол φ.
В соответствии с формулой Эйлера, запишем показательную форму комплексного импеданса:

Z = |Z|ejargZ = Zejφ

Отсюда активная составляющая импеданса R = Zcosφ
Реактивная составляющая X = Zsinφ.

Аналогия с электрическим сопротивлением проводника на примере резистора

R=UI.{\displaystyle R={\frac {U}{I}}.}

сопротивление идеальной катушки индуктивности стремится к нулю:

U=;{\displaystyle U=0;}

R=UI=I=;{\displaystyle R={\frac {U}{I}}={\frac {0}{I}}=0;}

сопротивление идеального конденсатора стремится к бесконечности:

I=;{\displaystyle I=0;}

R=UI=U=∞.{\displaystyle R={\frac {U}{I}}={\frac {U}{0}}=\infty .}

разность напряжений на концах катушки индуктивности не равна нулю;
ток, протекающий через конденсатор, не равен нулю.

Что означает сопротивление наушников?

Технический показатель импеданс делит сами наушники на два вида:

Высокоомные – сопротивляемость этого вида обычно выше, чем шестьдесят Ом
Низкоомные — сопротивляемость от тринадцати до тридцати двух Ом

Но тут важно отметить один нюанс – наушники также бывают внутриканальные, полноразмерные. И сопротивление у этих категорий будет своеобразное

Приведём пример:

Наушники полного размера задают сопротивлению своеобразную планку. Меньше ста Ом для них будут считаться низким импедансом. Те, что больше ста – высоким.
Наушники внутриканальные: низкое сопротивление для них означает не более тридцати Ом. Те, чье сопротивление превышает допустимый порог в тридцать – любой специалист назовёт высокоомными.

Выбирая их, не отмахивайтесь от того, каким импедансом они обладают. Поверьте, его не зря указывают в технических параметрах объекта одним из первейших

При выборе своём обращать внимание особое следует на эти детали:

Для портативных плееров и компьютерных аудиокарт рекомендуется с низким импедансом — в диапазоне от тридцати до восьмидесяти Ом.
Для стационарных звуковых систем — сопротивление в триста и больше Ом.

Повышенная сопротивляемость необходима в том случае, чтобы небольшие мембраны справились с довольно сильным импульсом так называемого источника. При этом не уши не должны пострадать. Уменьшается же уровень помех при высоком импедансе. Говоря конкретнее, в отсутствии источника звука в самих наушниках ничего не будет слышно. Даже потрескивания и пощёлкивания.