Od iPoda do Atoma

Kiedyś sprawa była prosta: słuchawki mieszkały w domu, razem z zespołami głośnikowymi. Czasami wychodziły na spacer z Walkmanami, potem Discmanami, ale nie była to wielka fala.

Ówczesne urządzenia przenośne były znacznie mniej wygodne i kusiły tylko najbardziej spragnionych muzyki, a także tych, którzy chcieli się "pokazać" z nowoczesnym sprzętem – wyłącznie młodych ludzi.

Przełomem, ale nie ostatnim, były empetrójki, najpierw też relatywnie duże, potem coraz mniejsze... a ich ukoronowaniem okazał się kultowy iPod. Wreszcie nadeszła rewolucja smartfonowa, od czasów której już praktycznie każdy ma przy sobie "grajka", do którego może podłączyć słuchawki.

Stąd tak wielka ich popularność i eldorado dla producentów. Jednak sprawa zaczęła się też komplikować. Zaczęto dostosowywać, co jest naturalne, parametry słuchawek do możliwości odtwarzaczy słuchawkowych.

Co więcej, nawet słuchawki, których wielkość i inne cechy wskazują na zastosowanie przede wszystkim domowe, dla dopasowania ich do smartfona (którego używamy także w domu) czy choćby podkreślenia ich nowoczesności mają często parametry "przenośne", zakłócające jednak dopasowanie do układów we wzmacniaczach stacjonarnych. Może się to wydawać dziwne, że skoro ze słuchawkami radzi sobie mały "grajek", to jakie może mieć z tym problemy znacznie większy układ?

Kluczem impedancja

Zacznijmy od podstaw. Dla wzmacniacza (każdego – w domowej integrze czy w iPodzie, który też musi mieć "jakiś" wzmacniacz) najważniejszym parametrem jest impedancja obciążenia, czyli słuchawek.

Analogicznie jak w przypadku zespołów głośnikowych, w rzeczywistości jest to funkcja – wartość modułu impedancji zmienia się w funkcji częstotliwości, chociaż użytkownik zostaje zapoznany z impedancją znamionową, wartością "reprezentatywną", ustaloną w sposób określony normami na podstawie charakterystyki impedancji.

Na razie, aby zrozumieć początkowe rozważania, skupmy się więc na tak rozumianej impedancji – znamionowej. Przez długi czas była ona utrzymywana na relatywnie wysokim poziomie, zwykle w granicach 150–600 Ω, co właśnie było dobrym dopasowaniem do typowych układów domowych wzmacniaczy słuchawkowych, czy to zawartych w integrze, czy w oddzielnym urządzeniu.

Rewolucja wśród urządzeń przenośnych wymusiła znaczne obniżenie impedancji, do ok. 20–40 Ω. Dlaczego małe smartfony lubią niską impedancję? To się nie zgadza z naszym doświadczeniami ze sfery "dużych" wzmacniaczy (głośnikowych), które pracują komfortowo z wysokimi impedancjami, za to czasami "pocą się", wyłączają, a kiedyś nawet "się paliły" przy impedancjach zbyt niskich.

Napięcie albo prąd

Aby osiągnąć określony poziom ciśnienia akustycznego (natężenia dźwięku, głośności) potrzebna jest moc elektryczna, która zamienia się w przetworniku elektroakustycznym (słuchawkach, głośnikach) w moc akustyczną i ciepło – im wyższa sprawność, wyrażana efektywnością, tym więcej dźwięku, a mniej ciepła. Ale dla uproszczenia zostawmy efektywność w spokoju, przyjmijmy, że wszystkie słuchawki mają podobną, bo ich stacjonarna lub przenośna konstrukcja nie ma z tym związku.

Zostajemy więc z mocą, a ta jest zawsze i wszędzie iloczynem napięcia i prądu. Wzmacniacze stacjonarne mają do dyspozycji zasilanie z sieci o napięciu 230V, znacznie przekraczającym potrzeby, stąd transformatory i zasilacze przygotowujące dla układów napięcia rzędu 20–80 V. Żeby dostarczyć do kolumn moc rzędu kilkuset watów, musi popłynąć też prąd o relatywnie wysokim natężeniu, a temu służy niska impedancja (zgodnie z prawem Ohma).

Kiedy jednak wymuszany jest zbyt duży prąd, wzmacniacz bardzo się grzeje. Stąd sam wzmacniacz "nie lubi" być traktowany niską impedancją, bo zmusza go to do większego wysiłku, chociaż zwykle jest wtedy zdolny do dostarczenia większej mocy.

Słuchawki nie potrzebują jednak setek, ani nawet kilkudziesięciu watów, więc tylko niewielka część tego napięcia zostaje podana do wyjścia słuchawkowego (przez dzielnik napięcia). Ale wciąż jest ono na tyle wysokie, że wystarczy niewielkie natężenie prądu, aby uzyskać wymaganą przez nich moc. A skoro prąd ma być niewielki, to impedancja może być wysoka.

Aby z tych samych słuchawek uzyskać taką samą głośność po podłączeniu do przenośnego grajka, potrzebujemy takiej samej mocy. Jednak urządzenia przenośne, zasilane akumulatorowo, nie dysponują wysokim napięciem, więc muszą podać wyższy prąd, a temu – jak już wiemy – służy niższa impedancja. Wyższy prąd to też pewne problemy, ale łatwiejsze do rozwiązania, niż przygotowanie znacznie wyższego napięcia dla sekcji wzmacniacza przenośnego smartfona, któremu do zasilania pozostałych sekcji wystarczą zazwyczaj ok. 3V.

W typowym smartfonie napięcie na wyjściu słuchawkowym nie przekracza ok. 1V. Gdybyśmy podłączyli do takiego smartfona klasyczne słuchawki o impedancji kilkuset omów, wówczas moc maksymalna będzie bardzo niska (przy 600 Ω – 1,7 mW) – to zdecydowanie za mało, aby przy typowej efektywności osiągnąć satysfakcjonującą głośność.

O wyższą efektywność można powalczyć swoją drogą, ale podstawowym sposobem jest niska impedancja. Przyjęto więc, że optymalna impedancja obciążenia dla smartfonów wynosi ok. 20–40 Ω.

W integrach dzielnikiem na skróty

Ale skoro z podaniem dużego prądu (koniecznego przy niskim napięciu) radzą sobie jakoś małe "grajki", dlaczego nie mogłyby sobie poradzić większe układy we wzmacniaczach zintegrowanych, co pozwoliłoby ustandaryzować optymalną impedancję zarówno dla urządzeń przenośnych, jak i stacjonarnych?

Pewnie wszystko do tego zmierza, ale mamy do czynienia z pewnymi zaszłościami. Najprostszy i najczęściej stosowany sposób instalacji wyjścia słuchawkowego we wzmacniaczu zintegrowanym nie polega na przygotowaniu oddzielnego układu wzmacniacza słuchawkowego, lecz na wykorzystaniu końcówek mocy, przeznaczonych przede wszystkim do podłączenia zespołów głośnikowych.

Czy można jednak tak po prostu podłączyć słuchawki do wyjść głośnikowych? Te o bardzo wysokiej impedancji (np. 600 Ω) i wysokiej mocy (rzędu 1 W) do wzmacniaczy o umiarkowanej mocy (przy obciążeniu 4–8 Ω poniżej 100 W) ewentualnie tak... Wytrzymałyby dostarczoną do nich moc, ale nie byłoby to rozwiązanie uniwersalne i bezpieczne.

Słuchawki o niższej mocy i niższej impedancji byłyby zagrożone przesterowaniem, więc powszechnie przyjętym rozwiązaniem jest zmniejszenie mocy na wyjściu słuchawkowym przez dzielnik napięcia. W czym problem?

W tym, że takie proste rozwiązanie jest względnie dobrze dopasowane do słuchawek o wysokiej impedancji. Musimy bowiem zacząć brać pod uwagę jeszcze inne zjawiska, w tym odejść od uproszczenia, że interesuje nas tylko impedancja znamionowa, a nie charakterystyka impedancji, zmienna w funkcji częstotliwości.

Ta zmienność bowiem, w połączeniu z rezystancją dzielnika napięcia, będzie powodowała "modulowanie" charakterystyki przetwarzania – powstaje wówczas kolejny, już niestabilny w funkcji częstotliwości dzielnik napięcia. Zmiany będą tym większe, im większa zmienność charakterystyki impedancji słuchawek, i im większa dodana we wzmacniaczu rezystancja szeregowa (będąca w praktyce impedancją wyjściową).

A do tego wysoka impedancja wyjściowa, odniesiona do niskiej impedancji obciążenia, oznacza przecież niski współczynnik tłumienia pogarszający odpowiedź impulsową. Wreszcie coraz większa moc będzie wydzielana na rezystorze dzielnika napięcia, chociaż tym będziemy przejmować się najmniej – mocy mamy pod dostatkiem.

W przypadku słuchawek o impedancji 600 Ω impedancja wyjściowa 40, 100 czy nawet 200 Ω (to często spotykane wartości) też wprowadza niekorzystne, jednak "tolerowane" zmiany. Jeżeli jednak pod taką impedancję wyjściową podłączymy słuchawki o impedancji znamionowej 40 Ω... Zależy jakie.

Falowanie

Do badań wykorzystaliśmy pięć modeli słuchawek o różnej konstrukcji, przeznaczeniu, w różnej cenie (począwszy od najdroższych): stacjonarne Sennheiser HD820 (impedancja znamionowa 300 Ω), również domowe (chociaż o znacznie niższej impedancji 55 Ω) Focal Clear Mg, podobne w charakterze, trochę bardziej przenośne Audio-Technica ATH-WP900 (38 Ω), również uniwersalne, lecz o niskiej impedancji (18 Ω) Sennheiser Momentum, wreszcie popularne Koss Porta Pro (60 Ω).

Każdemu zmierzyliśmy charakterystykę impedancji – pokazaną na rys. 1. Rysunek 2., przypisany poszczególnym konstrukcjom, przedstawia zmiany charakterystyk częstotliwościowych dla czterech różnych impedancji wyjściowych wzmacniacza. Wyraz "zmiany" należy podkreślić – nie są to charakterystyki przetwarzania, które mogą wyglądać zupełnie inaczej, lecz zmiany wywoływane właśnie przez powstający dzielnik napięcia.

Charakterystyka niemal liniowa (czerwona) reprezentuje tutaj charakterystykę wyjściową (ale nie jest z nią tożsama), mierzoną przy niemal zerowej impedancji wyjściowej (w pomiarze było to 0,1 Ω), a więc w praktyce bez dzielnika napięcia. Kolorem niebieskim oznaczyliśmy wariant 40-omowy, czarnym 100-omowy, wreszcie krzywa zielona to spotykana dość często w amplitunerach A/V impedancja 200 Ω.

Ze względu na bardzo duże różnice w wynikach pomiarów (wartościach bezwzględnych), prezentujemy je na wykresach o różnych skalach, na co trzeba zwracać baczną uwagę przy porównaniach.

Charakterystyki impedancji pokazujemy na skalach do 50 Ω (ATH-WP900 i Momentum), do 200 Ω (Porta Pro) i do 1000 Ω (HD820 i Clear Mg). Zmiany charakterystyk przetwarzania – na skalach +/-3 dB (ATH-W P900, Momentum i HD820) oraz +/-9 dB (Porta Pro i Clear Mg).

Zacznijmy od Porta Pro, znamionowo 60-omowych, jednak z bardzo wyraźnym szczytem impedancji (przy 85 Hz), przekraczającym nawet 170 Ω (rys. 1a). Na rys. 1b widać bardzo dobrą zbieżność w zakresie średnio- -wysokotonowym oraz bardzo duże zmiany (różnego stopnia wzmocnienie) w zakresie niskotonowym (wokół rezonansu przy 85 Hz), sięgające aż 6,5 dB w przypadku impedancji wyjściowej 200 Ω. Czyli podłączone do wyjść słuchawkowych wzmacniaczy zintegrowanych będą mniej lub bardziej podbijać bas.

Momentum pokazują już relatywnie niewielką zmienność modułu impedancji (rys. 2a), w zakresie niskotonowym zamiast szczytu widać raczej "wzgórze", mimo to niskie częstotliwości w szerokim zakresie też będą trochę wzmacniane (ok. +1,5 dB), ale będzie temu również towarzyszyć lekki zysk na górnym skraju pasma (bowiem tam impedancja również rośnie). Domowe, wręcz salonowe, wysokiej klasy Sennheisery HD820 to nieczęsto dzisiaj spotykana konstrukcja o wysokiej impedancji znamionowej 300 Ω.

Mimo że bezwzględna jak i względna zmienność impedancji (rys. 3a) jest nawet większa niż w Momentum, to na skutek mniejszego wpływu impedancji wyjściowej wzmacniacza, zmienność charakterystyki przetwarzania jest mniejsza – tylko przy największych 200 Ω różnica między ok. 60 Hz a 3 kHz wyniesie 1,5 dB, a dla 40 Ω – tylko 0,5 dB (rys. 3b). To słuchawki o charakterystyce bardzo "odpornej" na różne impedancje wyjściowe, ale... ze sprzętem przenośnym zagrają cicho.

ATH-WP900 okazują się bardzo uniwersalne, bowiem mają niską impedancję, odpowiednią do odtwarzaczy przenośnych. Nie jest ona jednak bardzo niska, co wraz z niewielką jej zmiennością (niska górka przy rezonansie, rys. 4a) pomoże we współpracy ze wzmacniaczami o wyższej impedancji wyjściowej – zakres zmian charakterystyki (rys. 4b) jest podobny jak w HD820.

Focal Clear Mg to jeszcze inna kombinacja – umiarkowanej, "pośredniej" impedancji, ale bardzo wysokiego szczytu przy rezonansie (560 Ω przy 50 Hz, rys. 5a). Na skutek tego poradzą sobie z nimi odtwarzacze przenośne, za to wzmacniacze stacjonarne z dzielnikami napięcia, nawet o umiarkowanej impedancji wyjściowej rzędu 40 Ω, spowodują zauważalne wzmocnienie niskich częstotliwości 3 dB, sięgające aż 10 dB przy impedancji 200 Ω (rys. 5b).

Focale Clear Mg potrzebują więc wzmacniacza o niskiej impedancji wyjściowej, a mariaż z tanimi integrami i amplitunerami spowoduje brzmienie mocno pogrubione podbiciem basu.

Toksyczne związki

Na ostatnim rysunku (już na tej stronie, rys. 6) pokazujemy całą rodzinę charakterystyk zmierzonych przy impedancji wyjściowej wzmacniacza 100 Ω, wszystkich badanych słuchawek, oczywiście na ujednoliconej skali - aby w łatwy do uchwycenia sposób pokazać zakres zmian i różnic między słuchawkami.

Teoretycznie najgorszy związek to wysoka impedancja wyjściowa wzmacniacza oraz niska impedancja słuchawek, ale o dużej zmienności, najczęściej związanej z wysoką impedancją wyjściową.

Zmienia to charakterystykę, ale nie można wykluczyć, że w szczególnych przypadkach może brzmieniu pomóc, wzmacniając zbyt słaby bas. Ale wróćmy jeszcze do przykładu ATH-WP900, które w dotychczasowej ocenie wypadły bardzo dobrze, bowiem nie wzięliśmy pod uwagę jeszcze jednego czynnika...

Nawet gdy bas nie zostanie wyraźnie wyeksponowany na skutek działania dzielnika napięcia dzięki niewielkiemu wzrostowi impedancji w zakresie niskich częstotliwości, to przy niskiej impedancji słuchawek i wysokiej impedancji wyjściowej wzmacniacza grozi nam znaczne pogorszenie odpowiedzi impulsowej (bardzo niski współczynnik tłumienia, poniżej 1!), a więc bas tłusty i słabo kontrolowany, zresztą też podbity.

Najbardziej odporne na wysoką impedancję wyjściową są więc słuchawki o wysokiej impedancji i jej niewielkiej zmienności (HD580), które jednak słabo pasują do wzmacniaczy przenośnych. Jeżeli chcemy mieć jedną parę uniwersalnych słuchawek domowo- -przenośnych, musimy zadbać zarówno o słuchawki o niskiej impedancji, jak też o wzmacniacz o niskiej impedancji wyjściowej. Każda inna sytuacja grozi negatywnymi konsekwencjami brzmieniowymi.

Potrzebny wzmacniacz słuchawkowy

Dlaczego więc producenci wzmacniaczy zintegrowanych projektują wyjścia słuchawkowe w taki ułomny sposób? Odpowiedzi jest nawet kilka.

• Po pierwsze, instalacja rezystorów jest znacznie tańsza od dodatkowego, kompletnego wzmacniacza słuchawkowego.

• Po drugie, taki sposób wywodzi się z czasów, gdy zdecydowana większość słuchawek miała wysoką impedancję i negatywny wpływ takiego rozwiązania był mniejszy.

• Po trzecie, w tych czasach słuchawki były traktowane przez zdecydowaną większość użytkowników marginalnie i inwestowanie w droższe układy słuchawkowe w integrach nie miało sensu.

• Po czwarte, specjalistyczne wzmacniacze słuchawkowe (o niskiej impedancji wyjściowej) znane są od dawna i komu na tym zależy, kto ma na to pieniądze i słuchawki wysokiej klasy, może po nie sięgnąć...

Od tamtych czasów trochę się jednak zmieniło. Popularne obecnie słuchawki o niskiej impedancji wyostrzają problem wysokiej impedancji wyjściowej, a jednocześnie wymagania wielu użytkowników są wyższe niż kiedyś. I dlatego wzmacniacze słuchawkowe są znacznie bardziej potrzebne niż kiedyś. QED.

Specjalistyczne wzmacniacze słuchawkowe są zdolne obsłużyć wszystkie słuchawki tego świata. Nie mają bowiem problemów smartfonowych – ich zasilanie pozwala uzyskać wysokie napięcie wyjściowe, a więc wysoką moc nawet przy wysokiej impedancji obciążenia.

Z drugiej strony, niska impedancja wyjściowa zapewnia liniową charakterystykę częstotliwościową (samego wzmacniacza, a więc utrzymanie charakterystyki słuchawek) oraz najlepszą (też dla danych słuchawek) odpowiedź impulsową. Takie właściwości nie pomogą słabym słuchawkom, ale żadnym nie obniżą lotów.

Oczywiście dobry wzmacniacz słuchawkowy może znaleźć się także wewnątrz integry (i czasami się znajduje), nie musi mieć własnej obudowy. Pozostaje jeszcze do omówienia ostatnia kwestia: jak ułatwić obsługę słuchawek o niskiej i wysokiej impedancji.

Podczas regulowania głośności jednym pokrętłem wystąpią znaczne różnice – przy takiej samej pozycji regulatora 30-omowe zagrają znacznie głośniej niż 600-omowe.

Producenci mają na to różne sposoby. W Ferrum Oor jest przełącznik czułości (to z jednej strony najlepsze rozwiązanie, z drugiej – wymaga "współpracy" użytkownika). W Sennheiserze HDV 820 musimy bardzo mocno "odkręcić" gałkę w przypadku słuchawek o wysokiej impedancji, ale w ten sposób pozostawiono wystarczającą dokładność ustawień w niższym podzakresie, w którym będą obsługiwane niższe impedancje.

W Naim Atom HE regulacja jest elektroniczna, też trzeba się będzie nakręcić (może nawet więcej), ale układ będzie dbać o rozdzielczość w całym zakresie.