Warum können Sie Kopfhörerverstärker nicht anhand ihrer Leistung von der Position der Lautstärke vergleichen?

Wir sind daran gewöhnt, dass der Verstärker, dessen Ausgangsleistung unter den gleichen Bedingungen (gleiche Last und vergleichbare Verzerrung) höher ist, normalerweise lauter spielt. Warum schlägt diese Regel bei Kopfhörerverstärkern fehl? Wie vergleiche ich sie?

Zunächst erinnern wir uns, dass Leistung das Produkt aus Spannung und Strom ist und der Strom von der Größe der Spannung und der Nennlast abhängt.

W = U * I.
I = U / R.

Wir können die Leistung nicht erhöhen, indem wir nur Strom hinzufügen, ohne die Spannung zu ändern. Mit anderen Worten, mit dem Lautstärkeregler regeln wir nur die Spannung am Ausgang des Verstärkers, und der Strom wird abhängig vom Lastwiderstand (Lautsprecher oder Kopfhörer) verbraucht. Wir werden die Spannung erhöhen - auch der Stromverbrauch wird automatisch erhöht.

Jeder Verstärker weist extreme Eigenschaften auf, die als maximaler Strom- und Spannungspegel für bestimmte Qualitätskriterien ausgedrückt werden können. Wenn wir den Ausgangspegel einstellen, bei dem das verstärkte Signal den Spannungsgrenzwert überschreitet, werden die „Spitzen“ der Welle abgeschnitten.


Beispiel für eine IHiFi-100-Wellenform, unsymmetrische Begrenzung

Diese Art der Verzerrung wird oft als "Abschneiden" oder "Überladen" bezeichnet. Es kann jedoch vorkommen, dass die maximale Spannung nicht überschritten wird, der Stromverbrauch an der Last (Lautsprecher oder Kopfhörer) jedoch höher ist, als der Verstärker liefern kann. Infolgedessen erhalten wir eine ähnliche Klangverzerrung.


Audiolab M-DAC Strombegrenzung bei niedrigem Widerstand. Die Begrenzung im oberen Teil der Welle ist "weich" und im unteren "hart".

Da Leistung das Produkt aus Strom und Spannung ist, sind Strom und Spannung bei gleicher Ausgangsleistung umgekehrt proportional.

U = W / I, I = W / U.

Bei gleicher Empfindlichkeit gegenüber der Leistung der Lautsprecher (oder Kopfhörer), jedoch mit unterschiedlichen Impedanzen, ist zur Gewährleistung des gleichen Schalldrucks am Ausgang dieselbe Leistung, jedoch unterschiedliche Verhältnisse von Strom und Spannung erforderlich.

Fast alle Lautsprecher mit dynamischen Emittern sind niederohmig - 4 oder 8 Ohm. Für eine solche Belastung durch den Verstärker ist der Wert des Ausgangsstroms in erster Linie wichtig, da Die erforderliche Spannung ist relativ gering.

Wie wird das Verstärkerpotential normalerweise bestimmt? Wer einen schwereren Transformator und mehr Kondensatorkapazität im Netzteil hat, ist besser. Obwohl dies ein indirekter Indikator ist, ist er oft recht genau.

Das Musiksignal ist kein reiner Langzeitsinus, es ist aufgrund der ungleichmäßigen zeitlichen Amplitude energetisch 9-15 dB „leiser“. Wenn wir beispielsweise eine Leistung von 10 W (4 Ohm, 6,3 Veff, 1,5 A) gemessen haben, beträgt der tatsächliche durchschnittliche Verbrauchswert 3,5 W (bei einer um 9 dB niedrigeren Energiedichte). Wenn wir also die Lautstärke um 9 dB erhöhen, beträgt der Wert der Spannung am Musiksignal echte 10 Watt.


Wellenform für Sinus und Musiksignal

Das Bild zeigt die schattierten Bereiche für den Sinus und das Musiksignal. Das Verhältnis der Flächen ist das gleiche wie das Verhältnis des verbrauchten Stroms bei gleicher Spannungsamplitude.



Wenn nicht genügend Kapazität in der Stromversorgung vorhanden ist, erhalten wir in Momenten kurzfristig hoher Leistung Verzerrungen im Klang, wenn der Strom abschneidet. Bei ausreichender Kapazität in der Stromversorgung erhält der Verstärker jedoch die erforderliche Leistung. Aus diesem Grund wird häufig auf die Kapazität von Kondensatoren geachtet. Ein Verstärker mit kapazitiven Kondensatoren ist in der Tat leistungsfähiger, obwohl er im Test auf Sinus-Leistung (langfristig) einem Verstärker mit einer geringeren Kondensatorkapazität in der Stromversorgung entspricht.

Ein weiterer wichtigerer Punkt: Wenn die Verstärker dieselbe Spannungsgrenze haben, z. B. 5 Veff, ergibt sich bei einem Sinus mit einer Last von 4 Ohm ein Stromverbrauch von 1,25 A und bei einem musikalischen Strom mit einer Dichte von 9 dB weniger als 0,4 A. Angenommen, zwei Verstärker für 4 Ohm haben eine Leistung von 6 W (5 Veff, 1,2 A) und 4 W (5 Veff, 0,8 A) angegeben. Wie Sie sehen können, hat der erste Verstärker eine höhere Sinusleistung, aber die Verstärker spielen auf dem Musiksignal mit der gleichen Lautstärke, weil ihre maximale Spannung ist gleich. Clipping wegen Strommangels wird es nicht geben, weil Beide Verstärker können für 4 Ohm mehr als 0,4 A liefern. Die Leistungsspanne des ersten Verstärkers ist einfach redundant (so scheinen Behauptungen zu liegen, dass die Eigenschaften liegen und Sie sich nicht auf sie verlassen können).

Der Unterschied zwischen dem Sinus- und dem Musiksignal ist so offensichtlich, dass es in allen Standards auf die eine oder andere Weise Empfehlungen gibt, Messungen durchzuführen oder die endgültigen Daten für Signale anzugeben, die dem Musiksignal nahe kommen. Aber keine dieser Empfehlungen hat Wurzeln geschlagen. Der Hauptgrund dafür ist, dass für die meisten Verstärker die Spannungsspanne viel höher ist als die Stromspanne für eine Last mit niedriger Impedanz.

Wenn beispielsweise ein Verstärker ohne Last 12 Veff liefern kann, jedoch unter einer Last mit einem Strom von 0,6 A, wird bereits bei 2,4 Veff bei 4 Ohm am Sinus und bei 6,7 Veff am Musiksignal eine Übersteuerung festgestellt. Wir kommen einfach nicht an die Spannungsgrenze.

Der Verbraucher hat eine einfache Frage, was lauter spielt, und das Leistungsranking gibt in den meisten Fällen die richtige Antwort, da in Bezug auf Spannung und Strom nur der Strom der begrenzende Faktor ist. Wenn wir die Leistung in „Strom + Spannung“ neu berechnen, werden wir triviale unnötige Berechnungen durchführen, und die Antwort wird dieselbe sein.

Wenn wir außerdem die Werte für Leistung, Spannung und Strom vergleichen, erhalten wir nicht die Antwort „wie viel lauter“, weil Eine solche Antwort ist nur in Einheiten in Dezibel enthalten. In Bezug auf die Leistung werden beispielsweise drei Verstärker wie folgt angeordnet: 10 W, 20 W und 30 W. Aber in Bezug auf die Lautstärke liegt ein Verstärker mit einer Leistung von 20 W in der Mitte? In Einheiten in dB sieht die Leistung wie folgt aus: 10 dBW, 13 dBW und 14,7 dBW. Verhältnisse wie -3 / 0 / 1,7 dB. Somit ist ein Verstärker mit einer Leistung von 20 Watt einem Verstärker von 30 Watt viel näher.

Wenn die Entwicklung von Computern früher stattgefunden hätte und die Autoren von Hochglanzmagazinen und Lesern Logarithmen zählen könnten, würden wir möglicherweise keine abstrakten Werte für die Leistung von Verstärkern sehen, sondern spezifische Werte für den Schalldruck am Ausgang bestimmter Lautsprecher und Verstärker. Aber leider war es zu kompliziert, obwohl es eine genauere Antwort geben würde.

Aber zurück zur Hauptsache: Die Vereinfachung der Rangfolge der Verstärker in Bezug auf die Lautstärke nach Leistung führte nicht zu Widersprüchen (insbesondere bei Budgetverstärkern), weil Der begrenzende Faktor war hauptsächlich aktuell. Bei Kopfhörerverstärkern trat das Problem jedoch in vollem Wachstum auf.

Die üblichen Kopfhörerimpedanzen liegen zwischen 16 und 300 Ohm. Bei niederohmigen Kopfhörern ist der Strom der begrenzende Parameter und bei hochohmigen - Spannungen. Bei niederohmigen Kopfhörern beträgt der Strom zusätzlich mindestens 9-15 dB.

Wenn der Verstärker für typische Lastlautsprecher nur zwei, 4 und 8 Ohm (und dementsprechend zwei Leistungspegelwerte) hatte, dann liegen diese typischen Impedanzen für einen Kopfhörerverstärker in der Größenordnung von 8: 8, 16, 24, 32, 60, 100, 200, 300 und 600 Ohm. Im besten Fall geben die Hersteller einen Leistungswert für zwei Nennwerte an.

Nicht geschulte Benutzer bemerken nicht immer, dass verschiedene Verstärker unterschiedliche Nennleistungen haben und es nicht möglich ist, 0,5 W bei 32 Ohm und 0,3 W bei 300 Ohm zu vergleichen.

Wenn Sie ein Diagramm der Ausgangsspannung für den Verstärker erstellen, nimmt diese Form an.


Auf der horizontalen Achse - Lastwiderstand (Lautsprecher oder Kopfhörer). Vertikal, Spannung, links in Veff (vielen bekannt) und rechts in dBV. dBV ist der Spannungswert in Dezibel, wobei 1 Veff für 0 dB genommen wird. In diesen Geräten ist die Spannung für professionelle Geräte seit langem angegeben, weil Die Pegel werden in dB eingestellt. In unserem Fall ist dies aufgrund des direkten Vergleichs der Lautstärke sofort in dB praktisch.

Die blau gepunktete Linie ist die Spannungsgrenze. Im Beispiel ist dies 0 dBV oder 1 Veff. Der Einfachheit halber beträgt die Ausgangsimpedanz des Verstärkers 0 Ohm und diese Leitung ist streng horizontal.

Die rote Linie ist der Spannungswert bei einem Ausgangsstrom von 10 mA (gemäß der Formel U = I * R).

Die schwarze Linie ist das Ergebnis von Strom- und Spannungsgrenzen. Wenn die Spannungswerte in Leistung umgewandelt werden, erhalten wir 1,6 mW (bei -16 dBV) für 16 Ohm und 3,3 mW (0 dBV) für 300 Ohm.

Die Leistungsverhältnisse ergeben eine Differenz von 3 dB (10 · Log10 (W1 / W2) = 10 · Log10 (3,3 / 1,6) = 3 dB). Betrachten Sie das Beispiel mit Kopfhörern mit einer Empfindlichkeit von 100 dB / mW, wenn es gemäß dem Spannungsdiagramm ausgewertet wird:

Wenn wir Kopfhörer mit einer Empfindlichkeit von 118 dB / V SPL (100 dB / mW) bei 16 Ohm haben, beträgt der maximale Schalldruck für sie -16 dBV + 118 dB / V SPL = 102 dB SPL. Bei Kopfhörern mit einer Empfindlichkeit von 105 dB / V SPL (100 dB / mW) bei 300 Ohm beträgt der Schalldruck 0 dBV + 105 dB / V SPL = 105 dB SPL. Der Lautstärkeunterschied zwischen den an diesen Verstärker angeschlossenen Kopfhörern beträgt 105 dB SPL - 102 dB SPL = 3 dB, wobei das hochohmige Modell lauter spielt.

Mathematisch ist das alles gut für den Sinus. Für ein Musiksignal ist die Berechnung jedoch bereits anders.


Da die Energiedichte des Signals um mindestens 9 dB niedriger ist, liegt die Strombegrenzung entlang der grünen gestrichelten Linie, die jeweils um 9 dB höher ist.


Die Spannungsverhältnisse sind bereits unterschiedlich.

Für 16 Ohm:

• Für den Sinus haben wir einen Wert von -16 dBV.
• Für ein Musiksignal ist der Wert bereits 9 dB höher, was -7 dBV entspricht, und die „musikalische“ Leistung sollte bereits nicht 1,6 mW, sondern 12 mW betragen!
• Wenn Sie die Qualität vergessen (wenn der Strompegel überschritten wird, treten Verzerrungen auf) oder wenn die Energiedichte des Signals noch niedriger ist, kann der Wert 0 dBV erreichen.

Für 300 Ohm wird sich nichts ändern, weil Es gibt nur eine Spannungsgrenze. Im obigen Beispiel ergeben Kopfhörer mit einer Empfindlichkeit von 118 dB / V bei 16 Ohm für ein Musiksignal einen Schalldruck von -7 dBV + 118 dB / V SPL = 111 dB SPL. Der Unterschied zwischen den Modellen mit niedrigem und hohem Widerstand beträgt 111 dB SPL - 105 dB SPL = 6 dB, wobei das Modell mit niedrigem Widerstand bereits lauter ist.

Und wenn Sie einfach den Lautstärkeregler auf das Maximum drehen und nicht auf die Qualität achten (Rasseln durch Übersteuern), beträgt der Unterschied zwischen den Kopfhörern 13 dB zugunsten des niederohmigen Modells.


Wenn wir uns die Amplituden ansehen, beträgt die Stromspanne weniger als 9 dB, und der maximale Spannungspegel bleibt dementsprechend bei 0 dBV. Im obigen Beispiel betrug die tatsächliche Verstärkung 6 dB.

Was passiert, wenn wir Verstärker mit derselben Ausgangsleistung vergleichen?


Fügen Sie einen zweiten Verstärker mit der angegebenen Leistung von 3 mW bis 32 Ohm und 3,3 mW bis 300 Ohm hinzu. Unser erster Verstärker im Beispiel hat bei 32 und 300 Ohm genau die gleiche Leistung.

Der zweite Verstärker hat eine maximale Spannung von 2,3 dBV (1,3 Veff), eine Ausgangsimpedanz von 100 Ohm und einen Ausgangsstrom von 100 mA. Aufgrund des Widerstands ungleich Null ist die Spannungsgrenze keine gerade horizontale Linie, sondern eine Kurve mit einer Spannungsabnahme zum niederohmigen Bereich.

Wie Sie in der Grafik sehen können, schneidet sich die Magenta-Linie mit der schwarzen Linie bei 32 und 300 Ohm. Der aktuelle Rand ist so groß (magentafarbene gestrichelte Linie), dass die Maximalwerte nicht beeinflusst werden.

Die obige Grafik zeigt, dass für den ersten Verstärker für 32 Ohm ein Spielraum von 9 dB besteht, weil Dies ermöglicht einen maximalen Spannungswert. Bei einem zweiten Verstärker mit einer großen Stromspanne erlaubt die maximale Spannung nicht, mehr "musikalische" Leistung zu erhalten als für den Sinus.

Formal haben die Verstärker also die gleiche Leistung, aber in der Praxis liefert der erste 32-Ohm-Kopfhörerverstärker bei gleicher Qualität eine um 9 dB höhere Lautstärke.

Welche globalen Schlussfolgerungen können daraus gezogen werden? Der Vergleich von Verstärkern einfach nach Leistung ist falsch, obwohl dies üblich und für Wechselstromverstärker mehr oder weniger ausreichend ist.

Die Entwicklung von Berichten in der RAA war immer nicht auf die maximale Anzahl von Diagrammen ausgerichtet, sondern auf die Möglichkeit, Produkte zu vergleichen. Und beim Vergleich erhalten Sie praktische Antworten, keine abstrakten.

Der Betrieb der Leistungsempfindlichkeit und des Leistungsgraphen waren für einen schnellen Vergleich weniger bequem als beispielsweise ein Vergleich der Spannungsempfindlichkeit und dementsprechend Spannungsgraphen.

Das vom Sinus aufgezeichnete Spannungsdiagramm war jedoch nicht genau genug, um das Volumen zwischen den Verstärkern zu vergleichen. Als Ergebnis der Arbeit wurde der „musikalischen“ Leistung eine verbesserte Ansicht des Spannungsgraphen hinzugefügt. Dieses Diagramm wurde Berichten und verschiedenen Online-Diensten und Vergleichen hinzugefügt.

Vergleich der Diagramme der Leistungseigenschaften der Verstärker und Bestimmung des erforderlichen Spannungspegels für Kopfhörer vom Verstärker

Link


In diesem Dienst können Sie die Lautstärke von Verstärkern und im Rahmen bestimmter Qualitätsklassen vergleichen. Wenn Sie eine äquivalente Klasse A wählen, ist dies ein Vergleich der vermutlich maximalen Qualität der Verstärker. Und wenn Sie „Keine Strombegrenzung“ wählen, wird einfach die Lautstärke ohne Rücksicht auf die Qualität verglichen.

Standardmäßig ist die Energiedichte des Signals auf 12 dB unter der Sinusdichte eingestellt. Typischerweise unterscheidet sich die Dichte eines Musiksignals von 9 bis 15 dB. Falls gewünscht, können Sie eine andere Dichte einstellen. Wenn Sie 3 dB auswählen und „Point On“ anzeigen, erhalten Sie ein vom Sinus erstelltes Diagramm mit den ursprünglichen Werten.


Um die Pegel für eine bestimmte Last zu analysieren, können Sie den Kopfhörerwiderstand einstellen. Die zusätzliche Tabelle enthält die gewünschten Werte in dBV.

Es gibt andere interessante und nützliche Algorithmen in diesem Dienst, die jedoch den Rahmen dieses Themas sprengen.

Vergleich des Verstärkerteils in der Lautstärke

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Dies ist eine vereinfachte Version in Form einer Tabelle, in der Sie zwei Widerstandsoptionen einstellen und die Amplituden in dB anzeigen können. Ebenso können Sie eine gleichwertige Qualitätsklasse auswählen. Zusätzlich sind die Leistungswerte für den Sinus angegeben. Beim Sortieren können Sie feststellen, dass sich die Leistungswerte aufgrund der Energiedichte des Signals bei denselben Spannungswerten erheblich unterscheiden können.

Verstärker-Basisrechner

Zweifellos werden viele unfreiwillig eine Frage haben, aber was ist mit dem Vergleich von Geräten, die nicht in der RAA gemessen wurden? Wie berechnet man Spannung und Strom? Wie erstelle ich einen Zeitplan?



Dazu wird ein separater Rechner vorbereitet, in den bekannte Daten über das Gerät eingegeben und die Endwerte am Ausgang abgerufen werden können.

Der Rechner ist nicht einfach, weil Manchmal sind die Daten der Hersteller unvollständig und es ist notwendig, den wahrscheinlichen Bereich möglicher Werte zu berechnen. Beispielsweise kann ein Hersteller die Leistung für eine einzelne Last und den maximalen Spannungspegel ohne Last angeben. Ohne Ausgangsimpedanz kann es mehrere Grafikoptionen geben. Verschiedene Kombinationen dieser Daten werden ausgearbeitet.

Zusammenfassung

Um den Verstärkerteil hinsichtlich der Lautstärke zu vergleichen, müssen die Energiedichte des Musiksignals und getrennt die Strom- und Spannungsbeschränkungen berücksichtigt werden.