Зачем наушникам усилитель?

Предыстория

Однажды я решил подшаманить старый усилитель, который шипел, гудел и громко щёлкал при включении, и поэтому валялся в шкафу без дела. Поменяв предусилитель на потенциометр, старые электролиты питания на новые и ещё несколько мелочей, а также уменьшив коэффициент усиления, я избавил его от самых заметных недостатков. И тут я вдруг вспомнил, что когда-то слышал от своего знакомого о том, что для качественного звука наушники нужно подключать к звуковой карте также через усилитель (а я ведь постоянно слушаю музыку в наушниках, подключённых непосредственно в звуковую карту, и никогда об этом не задумывался), и мне пришла мысль припаять разъём для наушников к этому усилителю, благо отверстия в ящике остались от регуляторов.

Припаяв разъём, я стал слушать. Звук был другим, нежели обычно. Постепенно я стал замечать чем именно звук отличается. Во-первых, бас стал умереннее, перестал выпячиваться там где раньше это было. Высокие частоты чуть приглушились, и тоже в меру. Я раньше считал, что это были особенности АЧХ наушников, но теперь оказалось, что они хорошо сбалансированы. Дальше я заметил, что стал слышать больше деталей в нижнем регистре, да и в целом звучание стало более прозрачным и естественным. И это всё при том, что усилитель построен на совсем не блещущей характеристиками старой микросхеме TDA2005, позиционируемой для автомобильного радио. Правда при такой относительно высокоомной нагрузке как наушники (32 Ома против 4 Ом у колонок) она конечно будет давать меньше искажений.

Итак, наушники, подключённые к посредственному усилителю, звучат лучше чем при подключении непосредственно к звуковой карте. Чтобы подтвердить это и выяснить, что происходит с аудиосигналом, были проведены измерения с помощью RMAA (Right Mark Audio Analyser). Измерялся сигнал на наушниках, т. е. посредством разветвителя сигнал шёл на наушники и на линейных вход звуковой карты. Тут пора сказать об используемом оборудовании: звуковая карта ASUS Xonar DS, наушники — Koss PortaPro и Philips SHP2700. Выходной сигнал имел уровень около -30дБ, т. к. выше было бы слишком громко для наушников.

Измерения

Только четыре теста показали различные результаты при подключении напрямую и с усилителем: Frequency response (№1 и №9), Intermodulation distortion + noise (№5), Stereo crosstalk (№6). Посмотрим на график первого теста.

Итак, в случае без усилителя имеет место зависимость напряжения от характеристик нагрузки (индуктивности либо собственного резонанса динамических головок). Для PortaPro неравномерность составила около 4дБ (от минимума до максимума), для SHP2700 – около 2,5дБ. Усилитель хорошо справляется с обоими наушниками и неравномерность не превышает погрешности измерений.

Посмотрим на график теста Stereo crosstalk. Здесь видим, что без усилителя происходит сильное взаимопроникновение каналов. Видимо это происходит внутри микросхемы операционного усилителя, стоящей в фильтре на выходе звуковой карты при относительно больших выходных токах. Напомню, что типичная нагрузка для большинства операционников составляет 2 кОм, для некоторых 600 Ом (в том числе NE5532, используемом в ASUS Xonar DS на фронтальном выходе). А тестируемые наушники, по моим измерениям, имеют следующее сопротивление постоянному току: PortaPro – 52 Ом, SHP2700 – 32 Ом, что на порядок меньше рекомендуемых значений. В случае применения усилителя взаимопроникновение не превышает уровень шума.

Теперь перейдем к девятому тесту Frequency response (swept sine). Но здесь нам интересна не АЧХ, которую мы уже видели в первом тесте. Здесь скользящим синусом тестируется также и THD (уровень гармонических искажений). К сожалению на общем графике THD отсутствует, однако на графиках каждого измерения по отдельности он есть. Поэтому я наложил графики друг на друга для наглядности.

В нижней части графика изображены уровни искажений для текущей частоты скользящего синуса. Без усилителя низкие частоты достаточно сильно искажаются. Больше искажений на наушниках PortaPro. С усилителем, как и в остальных тестах, графики одинаковы для обоих наушников, а искажения не превышают уровень шума. График в случае с усилителем проходит выше, т. к. усилитель имеет плохое подавление гармоник сетевого питания. В подтверждение приведу графики спектрограммы из Adobe Audition:

Наконец перейдём к последнему тесту Intermodulation distortion + noise, давшему различные результаты с усилителем и без него. Здесь мы видим самые высокие пики 60Гц и 7кГц — тестовый сигнал, частокол гармоник сетевого питания усилителя (кратные 50Гц) и гармоники 60Гц-ового синуса без усилителя – гармонические искажения низкочастотного сигнала. Интермодуляционных искажений здесь не видно (пиков на частотах n*f1+m*f2, где n и m – целые, нет). Этот тест чувствителен к шуму, что отражено в названии, поэтому с усилителем результат в этом тесте оказался хуже чем для SHP2700 без усилителя.

Спектрограмма:
а) Xonar DS + PortaPro (слева вверху)
б) Xonar DS + SHP2700 (слева внизу)
в) Xonar DS + TDA2005 + PortaPro (справа вверху)
г) Xonar DS + TDA2005 + SHP2700 (справа внизу)

Выводы

Итак, какие выводы можно сделать по результатам измерений? Во первых, установлено, что подключение наушников напрямую к линейному выходу звуковой карты приводит к появлению трёх негативных явлений в звучании: 1) искажение АЧХ (поднимается горб на низких частотах и немного приподнимаются верхние частоты); 2) ощутимое взаимопроникновение каналов во всём частотном диапазоне; 3) гармонические искажения в нижней части спектра. Причиной появления данных проблем является несоответствие сопротивления наушников номинальным значениям нагрузки для операционного усилителя, стоящего на выходе звуковой карты. Для качественного звучания необходимо использовать усилитель. Причём даже усилитель посредственного качества избавит от вышеназванных проблем, так как входные-выходные сопротивления будут согласованы.