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HIFI日记:推力的计算和科普

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经常听到有人说,某某设备推不动耳机这种说法。也有很多根深蒂固的观念在烧友心中挥之不去。今天就让BLOG主围绕推力这个问题,给大家做一个简单的科普吧。

一、如何计算推力

耳机推力需求计算器

主计算器

注意:如果您的耳机灵敏度单位为“dB/Vrms”,请先使用下方的“灵敏度转换”工具进行换算,再将结果填入本计算器。

Ω

通常在耳机介绍页能看到,单位是欧姆(Ω)。

dB

一般测试最高设定在105-120dB。这并非指持续音量,而是音乐中极短时间达到的峰值响度。

dB/mW

请确保单位是“dB/mW”。如果介绍页不标记单位,通常默认为此单位。

灵敏度转换

如果您的耳机灵敏度单位是“dB/Vrms”,请在此处将其转换为“dB/mW”。

dB/Vrms
Ω

必须填写:
1、耳机的“电阻”,也就是阻抗,这个一般在耳机的介绍页能看到。
2、目标声压级,一般测试最高设定在105-120dB,这并非指的是让音量一直维持在这个离谱的响度,而是指一首音乐中极短时间内达到的最极限的响度。比如交响乐的齐奏又或者是人声嘶吼的那一刻。
3、灵敏度,这个需要特别留意耳机介绍页中标明的单位是“dB/mW“还是“dB/Vrms”,如果介绍页不标记单位,通常是“dB/mW“。
4、如果标记的单位是“dB/Vrms”,需要先通过表格中间的“灵敏度转换”功能先换算成“dB/mW“,然后再填到上方表格中计算。

输出结果:
1、所需功率,就是指播放器输出120dB声压级时,需要的最大输出功率。
2、固定电压,电压仅受声压级和灵敏度影响,而电流同时收到阻抗、声压级、灵敏度等三个因素影响。

二、各类谣言勘误

1、推力到底是什么
推力其实仅仅表示播放器能使耳机发出的最大“响度”,简单来说就是,推力仅完成了耳机“能不能响”和“响的够不够大声”这两个基本工作。很多烧友错误地把耳机“好不好听”,更具体地来说把测评耳机的“动态”、“细节”、“风格”都打包给了推力,这是极不专业的表现。

2、是否需要“冗余”的推力
这是从玩箱子的烧友口中延伸出来的一个奇怪的说法。很多箱子/耳机,在达到目标响度的时候所需功率只需要10W,但是很多朋友会说功放/耳放需要额外的“功率冗余”,或者叫做“功率储备”。实际上根据科学的方法,我们很容易就能计算出所需的实际功率和瞬时最大功率。比如,人类一般建议聆听平均响度是85dB以下(不太伤耳)。我们假设某一个时刻,某个古典CD曲目,平均电平(RMS)比峰值电平(0dBFS)低30dB,也就是说,最高时刻响度是85+30=115dB。可能很多朋友对115dB没太多的概念,这大概相当于live house主音箱正前方峰值音量,又或者是电锯开搞前方一米的响度。虽然极少数古典音乐的动态范围,在平均85dB的时候峰值可能超过115dB,但绝大多数请下,这个响度已经完全能代表HIFI音频的动态范围。

3、数字失真与本底噪音

有些朋友会说,播放器音量调大(比如80/90的音量),就会失真,所以需要更大的耳放功率,让音量不要调那么高(比如40/50音量就有足够的响度),就能降低失真,其实这个逻辑深究之下是有一定道理的。当我们常见的数字播放器(不管是砖头还是小尾巴),它首先是在数字域对音频数据的数值进行乘法运算,在数模转换之后,再交给模拟放大电路进行放大。从结果来看,低增益+高音量和高增益+低音量要达到同一个响度,其引入的本底噪声确实不一样(噪声来源不一样)。比如低增益+高音量总,因为数字音量增益小,引入的DAC本底噪音就很小,而高音量引入的模拟放大电路中的噪音更大(我们常说的听到耳机底噪,就是从这个部分引入的)。而反过来如果是用的是高增益+低音量的设置,引入的DAC本底噪音就会更多,相对的引入模拟电路噪音就会更少。这两种失真特性最终反馈到听感上,应该会有差别,特别是对某些设计不平衡的设备来说,差异可能会更为明显。本质上看,这并不是“需要更高的功率”的问题,而是“数字部分和模拟部分的设计问题”,因此我们需要极为辩证地看待。

4、电流放/电压放是什么?

我们探索一个更复杂问题,耳机的阻抗其实并不是恒定的,我们看到的商家标注耳机阻抗,一般指的是在1kHz下测试得到的阻抗值。这是个很TM古老的测试基准,实际上完全不能显示出当代HIFI耳机的实际情况。比如一个标注为“32Ω”的动圈耳机(这个问题动圈更常见),它很可能在低频的时候阻抗飙升到最高150Ω,而在300Hz开始回落,直到1000Hz的时候趋于平缓来到32Ω附近。这意味着,一个原本看上去低阻的耳机,实际上在回放鼓声(低频)的时候,变成了一个相当高阻的耳机,需要的电压也比想象中高。初中物理我们就知道“P = V × I”这个公式,也就是说,在我们恒定需要某个特定声压的前提下,耳机的阻抗对所需功率完全没变化,实际上改变的只有电压和电流的比例。高阻抗的情况下,需要的是高电压、低电流,相反低阻抗的情况下,需要的是低电压、高电流。这两种需求对应的耳放电路设计有所不同,部分的耳放可能有所侧重,这就形成了我们平时说的电压放、电流放。然而,看上面的情况我们就可以知道,一个耳机的阻抗不是恒定的,而是动态变化的,甚至会连跨几个数量级。因此耳放在驱动同一副耳机时,需要在毫秒级别内,在“高电压模式”和“大电流模式”之间无缝切换,标榜自己为“电流放”或是“电压放”的耳放,本质上要么是营销策略,欺负不懂的烧友,要么就是某一项设计的太烂,而只能标榜自己另一方面的长板而已。

这里稍微扩展一下,加入一个耳机的阻抗高,而电压不足,一般显示出来的结果就是低频鼓声、贝斯失真,动态小没有气势,或者是有气无力之类的情况。而如果是电流不足,则会导致振膜产生多余的余震,一般会体现在声音变得浑浊、混乱、层次变少等问题上。各位可以通过这两个特征快速判断一下耳放的问题,通常也比较准确。另外,为了同时做好电流和电压两个部分,不可避免地对元器件的规模和精度提出了极高的要求,这一般体现在了电器规模(体积)上。而通常情况下,体积越大的设备,其功率也越高,这很大程度上让玩家们错误的产生了功率越大,声音越好的错觉233

5、能不能直推
什么是直推,直推就是不借助耳放等专门设备,直接采用播放设备推耳机,一般都是手机、笔记本电脑、平板之类的东西。这个问题其实比较好解释,一般手机或者笔记本电脑,提供的输出功率大概是50-100mW。假设有一只入耳耳机,灵敏度只有90dB/mW,那它需要的功率为316mW,这毫无疑问是完全推不动的。而当我们选择一只98dB/mW灵敏度的耳机时,其所需功率就会骤降到50mW,那直推就变得比较可行了。通过计算,我们可以非常简单就得到这些准确的数据,也有助于我们摆脱人云亦云的情况。

6、是否需要独立耳放
耳放提供的输出功率,并不是耳放的唯一功能。推的动、声音响也不是评价一台耳放的唯一标准。除了提供足够的声量之外,耳放还有让声音变得更好听这一重任。而关于耳放的核心参数,除了功率之外,还包括频响特性、信噪比(S/N)、动态范围、失真(THD)等几个重要的参数。因此一台好的耳放,除了提供充盈的动力外,还融入了厂商/作者对声音的思考和精妙的设计,并通过耳放这一媒介,介入到音乐回放的过程中。

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