رازهای امپدانس هدفون
پاسخ فرکانسی هدفون شما ممکن است ایده آل نباشد، اما آیا فکر می کنید همیشه بدون تغییر باقی می ماند؟ دو دهه پیش، هدفون‌ها فقط یک وسیله جانبی برای گوش دادن به صدا بودند. اما امروزه، آنها نه تنها به ابزار اصلی برای شنیدن موسیقی تبدیل شده‌اند، بلکه در فرآیند تولید موسیقی نیز نقش پر رنگ تری پیدا کرده‌اند.
در مقایسه با بلندگوهای مانیتورینگ، هدفون‌ها مزایای زیادی دارند، از جمله عدم وابستگی به آکوستیک محیط، قابلیت حمل آسان و حذف نویزهای خارجی. اما در کنار این مزایا، چالش‌هایی نیز به همراه دارند. یکی از مهم ترین چالش‌ها، نبود استانداردهای مشخص برای تنظیم صدای هدفون است، به طوری که هر مدل، شخصیت صوتی متفاوتی دارد و انتخاب یک گزینه ایده آل را دشوار می کند. چالش دیگر، نحوه صحیح تامین سیگنال الکتریکی مورد نیاز هدفون است، که در این مقاله به آن پرداخته می شود.
چالش‌های امپدانس
کیفیت صدای هدفون معمولا براساس طراحی فیزیکی آن تعیین می شود و همانطور که در مورد هر بلندگو نیز صادق است، هزاران عامل بر عملکرد آن تاثیر می گذارد. هر طراح هدفون حرفه‌ای تلاش می کند تا درایورها و کاپ‌ها را طوری طراحی کند که از هر گونه رزونانس و بازتاب‌های نامطلوب جلوگیری کند. اما هنوز یک عامل خارج از کنترل طراحان وجود دارد که می تواند پاسخ فرکانسی اکثر هدفون‌ها را تغییر دهد: تعامل امپدانس هدفون با مدار تقویت کننده‌ای که آن را به صدا در می آورد.
بلندگوهای پسیو معمولا در سه نوع امپدانس وجود دارند: 4Ω، 8Ω و به ندرت، 16Ω. اما هدفون‌ها از تنوع بیشتری برخورداند و امپدانس آنها از 4 اهم شروع شده و می تواند تا 800 اهم هم برسد. مشخصه کلیدی برای تعیین حجم صدای یک هدفون، حساسیت آن است. حساسیت بر حسب dB/V اندازه گیری می شود، سطح صدای خروجی را نسبت به نوسان ولتاژ خاصی نشان می دهد. این مقدار به امپدانس بستگی دارد، زیرا امپدانس تعیین کننده‌ی میزان قدرتی است که در نتیجه نوسان ولتاژ تولید می شود، و همچنین به بازدهی (dB/mW) مربوط است که نشان می دهد چه مقدار از این قدرت به صدا تبدیل می شود.
هدفونهای امپدانس بالا معمولا برای استفاده در استودیوها یا سیستم‌های Hi-Fi پیشرفته طراحی می شوند، جایی که کارت صدا های با کیفیت بالا و آمپلی فایرهای اختصاصی به راحتی قادر به تامین ولتاژ بالاتر برای راه اندازی آنها هستند. اما با گسترش دستگاه‌های قابل شارژ با باتری و USB، هدفونهای با امپدانس پایین تر تبدیل به استاندارد شده‌اند. امپدانس می تواند یک معیار ساده برای تشخیص این که آیا هدفون با گوشی هوشمند سازگار است یا نه باشد، اما مانند بسیاری از اصول، استثناهایی نیز وجود دارد.
مشخصات فنی معمولا امپدانس هدفون را به صورت یک عدد ثابت (nominal)، مانند 300Ω برای مدل Sennheiser HD650 یا 32Ω برای نسخه کم امپدانس Beyerdynamic DT770 ذکر می کنند. اما واقعیت این است، که امپدانس هدفون با تغییر فرکانس‌ها تغییر می کند. برای بیشتر هدفون‌هایی که از درایورهای متحرک استفاده می کنند، امپدانس در فرکانس رزونانس که معمولا حدود 100 هرتز است می تواند تا 1.5 برابر بیشتر از مقدار ثابت خود شود. همچنین، به دلیل ویژگی‌های سیم صوتی، امپدانس در فرکانس‌های بالاتر نیز به طور کمی افزایش می یابد.
یک مورد خاص در این زمینه، هدفونهای درون گوشی (IEM) است که معمولا از فیلترهای تقاطع پسیو برای تغذیه چند درایور بالانس آرماتور استفاده می کنند. منحنی امپدانس این هدفون‌ها ممکن است پر از افت‌ها و اوجهای مختلف باشد، زیرا هر درایور رزونانس خاص خود را دارد و فیلترهای پسیو امپدانس سیستم را تغییر می دهند. دو نوع هدفون وجود دارد که معمولا منحنی امپدانس ثابت و صاف دارند: طراحی‌های ارتودینامیک یا مغناطیسی صفحه‌ای (به شرطی که از فیلترهای پسیو استفاده نکنند) و هدفونهای فعال، جایی که مدار درایور خروجی هدفون دستگاه منبع، امپدانس ثابت مرحله ورودی هدفون فعال را می بیند. متخصصان کالیبراسیون هدفون و بلندگو Sonarworks، که تا کنون امپدانس 797 مدل هدفون را اندازه گیری کرده‌اند: نتایج نشان داد که 57 درصد از آنها تغییراتی در امپدانس با فرکانس دارند.
به یاد داشته باشید که امپدانس بیشتر هدفون‌ها با تغییر فرکانس تغییر می کند. بنابراین، زمانی که از آمپلی فایر با امپدانس خروجی قابل توجه استفاده می کنید، عملا نوعی تنظیم فرکانسی به پاسخ طبیعی هدفون شما اضافه می شود.
مقاومت در هدفون‌ها
برای تولید صدا از هدفون، دو چیز ضروری است: یک منبع که معمولا سیگنال صوتی خطی را ارسال می کند و یک آمپلی فایر که این سیگنال را برای راندمان هدفون تنظیم می کند. آمپلی فایرهای هدفون در اشکال و اندازه‌های مختلفی وجود دارند. گوشی‌های هوشمند معمولا از تراشه‌ای استفاده می کنند که هم وظیفه تبدیل سیگنال دیجیتال به آنالوگ و هم تقویت صدا را انجام می دهد. در انتهای دیگر طیف، آمپلی فایرهای کلاس A با اندازه رک، که از ترانزیستورهای مجزا (یا حتی لامپ‌ها) بهره می برند، برای کسانی که به کیفیت بی نقص صدا اهمیت می دهند، بهترین سیگنال ممکن را ارائه می دهند.
چالش طراحان آمپلی فایرهای هدفون این است که حساسیت هدفون‌ها به طور قابل توجهی متغییر است. هدفون‌هایی که حساسیت کمتری دارند، نیاز به ولتاژ بیشتری برای تولید همان سطح صدای هدفون حساس تر دارند. برای مثال AKG K1000 با حساسیت dB/V78 برای رسیدن به همان سطح فشار صوتی (SPL) که هدفون، Astell & Kern AKR03 Roxanne Max با حساسیت dB/V140 تولید می کند، نیاز به ولتاژ 1258 تفاوت 62 دسی بل در حساسیت به این معنی است که AKG K1000 برای رسیدن به SPL مشابه Astell & Kern IEM به ولتاژ 1258 برابر بیشتر دارد. البته این یک مثال افراطی است. اما حتی در مقایسه دو هدفون آشنا تر مانندSennheiser HD650 (105dB/V) و Shure SE535 (134dB/V)، تفاوت 29 دسیبل در حساسیت به این معنا است که HD650 برای رسیدن به همان SPL به 28 برابر ولتاژ بیشتر نیاز دارد. این اختلاف نشان می دهد که طراحی آمپلی فایری که بتواند همزمان هدفون‌هایی با حساسیت بالا و پایین را به درستی راه اندازی کند، چقدر پیچیده است و چطور باید از آسیب به هدفونهای حساس جلوگیری کرد.
در گذشته تلاش‌هایی برای استاندارد سازی امپدانس خروجی آمپلی فایرهای هدفون انجام شده است. یکی از شناخته شده ترین این استانداردها، IEC 61938 است که در سال 1996 معرفی شد و مشخص می کرد که امپدانس خروجی تقویت کننده‌های هدفون باید 120 اهم باشد. این کار معمولا با قرار دادن یک مقاومت در مسیر خروجی آمپلی فایر انجام می شود، که باعث افزایش امپدانس خروجی می شود و در نتیجه قدرت منتقل شده به بارهای با امپدانس پایین کاهش می یابد. هدفونهای حساس اغلب امپدانس پایینی دارند، بنابراین با این تنظیمات، تقویت کننده نمی تواند به راحتی باعث آسیب به آنها شود و در عین حال، شنونده دامنه وسیع تری از صدا را در اختیار دارد. علاوه براین، این تنظیمات کمک می کند تا نویز کاهش یابد، که به ویژه در هدفونهای درون گوشی (IEM) می تواند مشکل ساز باشد.
پس چرا باید نگران باشیم؟ به خاطر داشته باشید که امپدانس بیشتر هدفون‌ها با تغییرات فرکانسی همراه است. در نتیجه، زمانی که تقویت کننده‌ای با امپدانس خروجی قابل توجه (به دلیل مقاومت در مسیر خروجی) داشته باشیم، تضعیف نیز منحنی وابسته به فرکانس تبدیل می شود این تغییرات باعث می شود که افت سیگنال به صورت یک منحنی وابسته به فرکانس بروز کند. به عبارت دیگر، نوعی اصلاح فرکانسی به طور ناخواسته روی پاسخ فرکانسی طبیعی هدفون اعمال می شود. انحرافات تونال که در اینجا مشاهده می کنید، نتیجه تغییرات امپدانس هدفون Shure SE535 است که از امپدانس نامی 32 اهم به 9 اهم کاهش می یابد و با امپدانس‌های خروجی مختلف تقویت کننده (از 1 تا 50 اهم) تعامل می کند. در حالی که چنین تغییرات امپدانسی معمولا در هدفونهای بزرگتر دیده نمی شود، در بسیاری از هدفونهای گوشی (IEM) تغییرات قابل توجهی در امپدانس وجود دارد که می تواند بر عملکرد صوتی آنها تاثیر بگذارد.
در عمل به این معنی است که یک تولید کننده یا مهندس صدا باید هنگام تعویض یک هدفون (یا IEM) از یک کارت صدا با کیفیت بالا به دستگاهی مثل یک تلفن همراه بسیار محتاط باشد. تغییرات تونال باعث گمراهی شود و شما را به اشتباه بیندازد، در حالی که در واقع امپدانس خروجی است که صدای هدفون را تغییر می دهد.
محدوده اهم
اگر استاندارد IEC 61938 به طور کامل پذیرفته می شد، طراحان هدفون می توانستند محصولات خود را برای کار با خروجی 120 اهم طراحی کنند و تاثیر متقابل امپدانس تقویت کننده و هدفون بر رنگ آمیزی صدا را در نظر بگیرند. اما در واقعیت، این استاندارد هرگز به شکل گسترده توسط طراحان تقویت کننده‌ها اجرا نشد و هیچ نشانه‌ای وجود ندارد که هدفون‌ها مشخصا برای خروجی 120 اهم طراحی شده باشند. آنچه می توان گفت این است که هدفونهای استودیویی و های فای قدیمی معمولا امپدانس سیم پیچ بالاتری دارند، بنابراین اثر پذیری کمتری از امپدانس خروجی آمپلی فایرها خواهند داشت.
در آزمایش‌های انجام شده بر روی 170 مدل گوشی هوشمند، امپدانس خروجی بیشتر آنها در محدوده
1 تا 10 اهم قرار داشت. دستگاه‌های اپل و سامسونگ امپدانس خروجی پایینی ارائه کردند، در حالی که گوشی‌های سونی مقادیر بالاتری را نشان دادند. بالاترین امپدانس خروجی در میان برندهای کمتر شناخته شده مانند byte، Alcatel و OnePlus مشاهده شد که می تواند بر کیفیت صدا تاثیر بگذارد. این اندازه گیری‌ها با هدف بهینه سازی فناوری DSP کالیبراسیون و جبران تغییرات پاسخ فرکانسی انجام شد.
در تجهیزات صوتی حرفه‌ای، اطلاعات دقیقی درباره امپدانس خروجی هدفون در بسیاری از کارت صداها منتشر نمی شود، زیرا اغلب تولید کنندگان از ارائه این مشخصه خودداری می کنند. بررسی‌ها نشان داده که امپدانس خروجی در مدل‌های مختلف تفاوت چشمگیری دارد، برای مثال کارت صدا RME Fireface UCX امپدانسی معادل 30 اهم داشت، اما مدل جدیدتر Fireface UFX II با کاهش این مقدار به 2 اهم، عملکرد بهتری در سازگاری با انواع هدفون‌ها ارائه می دهد. برخی شرکت‌ها، مانند Antelope Audio همچنان از استاندارد قدیمی 120 اهم پیروی می کنند، اما در مبدل جدید خود AM RI از تقویت کننده‌ای با امپدانس خروجی تقریبا صفر اهم استفاده کرده‌اند که حتی قابلیت تنظیم به امپدانس منفی را نیز دارد.
در بسیاری از آمپلی فایرهای hi-fi، خروجی هدفون مستقیما از بخش تقویت کننده اصلی گرفته شده و تنها با افزودن چند مقاومت، سطح سیگنال آن تنظیم می شود. این روش اگر چه اقتصادی است، اما در تجهیزات ارزان قیمت نباید انتظار کیفیت صدای ایده آلی داشت. راهکار اصولی این است که از یک مدار تقویت کننده مجزا برای هدفون استفاده شود، که با یک op-amp ساده و هزینه‌ای اندک قابل اجرا هست و می تواند کیفیت صدا را به طور قابل توجهی بهبود ببخشد.
برای کنترل توان خروجی در هدفونهای کم امپدانس، راهکارهای هوشمندانه‌ای وجود دارد که یکی از بهترین آنها کلید تغییر گین است. این قابلیت امکان انتخاب حالت گین پایین برای هدفونهای کم امپدانس و حالت گین بالا برای هدفونهای با امپدانس بالا را فراهم می کند.
کاهش گین مزایای متعددی دارد، از جمله تقویت فیدبک منفی که باعث کنترل دقیق تر مدار، کاهش نویز و کاهش دیستورشن می شود. برخی تقویت کننده‌های حرفه‌ای هدفون این ویژگی را دارند، اما بسیاری از کارت صداهای استودیویی از آن بی بهره‌اند. با این حال، مدل‌هایی مانند RME ADI‑2 DAC و ADI‑2 Pro این قابلیت را ارائه می دهند و حتی می توانند هنگام افزایش حجم صدا، گین را به طور خودکار تنظیم کنند.
مدل ADI‑2 DAC علاوه براین، دارای خروجی اختصاصی با توان پایین برای IEMها است که با گین کمتر، نویز را به حداقل می رساند. این ویژگی به ویژه برای هدفونهای حساس با پاسخ دهی دقیق ضروری است، زیرا حتی کمترین نویز می تواند روی کیفیت صدا تاثیر بگذارد.
مشکلات آنالوگ: راه حل‌های دیجیتال
ممکن است دنیای هدفون‌ها پیچیده به نظر برسد، با تفاوت‌های گسترده در حساسیت و امپدانس بار و کارت صداها با مشخصات مبهم که گاهی الزامات امپدانس خروجی پایین را نادیده می گیرند. با این حال، به طور طبیعی تغییراتی در حال شکل گیری است. تولید کنندگان هدفون‌ها به ندرت مدل‌هایی با بهروه وری ضعیف تولید می کنند. امپدانس هدفون‌ها معمولا در حال کاهش است، به طوری که مدل Neumann NDH20 با امپدانس 150 اهم یک استثنا است. این مدل به طور نسبی کارآمد است و از بیشتر خروجی‌های لپ تاپ قابل راه اندازی است. بیشتر مدل‌های جدید در دنیای هدفونهای استودیویی امپدانس حدود 80اهم دارند، در حالی که مدل‌های معروفی همچون Sennheiser HD650 و HD600 یا Beyerdynamic DT770 و DT990 به امپدانس‌های بالاتر وفادار مانده‌اند و برای رسیدن به حجم صدای مناسب، به کارت صدا با درایور هدفون قدرتمند نیاز دارند.
هدفونهای IEM با چندین درایور معمولا به دلیل استفاده از کراس اورهای پسیو، امپدانس‌های متغیر زیادی دارند. مهندسان ما به طور کلی عملکرد این نوع هدفون‌ها را برای استفاده‌های دقیق توصیه نمی کنند، زیرا فیت متغیر آنها در گوش کاربران می تواند تاثیر زیادی بر کیفیت صدا بگذارد. اما این هدفون‌ها به عنوان مانیتورهای صحنه‌ای برای نوازندگان در حال اجرا بسیار ارزشمند و ضروری هستند. هدفونهای IEM سفارشی شده به حل مشکل فیت کمک می کنند، ولی همچان مشکل تعامل بین امپدانس خروجی آمپ هدفون گیرنده بی سیم و بار پیچیده‌ای که IEMایجاد می کند، وجود دارد. متاسفانه، در مشخصات خروجی‌های آنالوگ گیرنده‌های بی سیم IEM، معمولا هیچ اندازه گیری دقیقی فراتر از پاسخ فرکانسی، توان تحویلی و سطح نویز یافت نمی شود. امیدواریم طراحان این دستگاه‌ها در نظر گرفته باشند که تقریبا هر نوع امپدانس خروجی می تواند باعث از دست رفتین دقت در انتقال پاسخ تونالی شود. به علاوه، استفاده از مقاومت در خروجی باعث تبدیل بخشی از توان آمپلی فایر به گرما و در نتیجه کاهش عمر باتری می شود.
بعید است که در آینده تمامی آمپ‌های هدفون امپدانس خروجی نزدیک به صفر داشته باشند. در این صورت، گزینه دیگری برای اصلاح انحرافات تونالی ناشی از تعامل امپدانس خروجی و بار هدفون وجود دارد: این انحرافات می توانند به صورت دیجیتال اصلاح شوند. برای این منظور، استفاده از آمپ‌های با امپدانس خروجی کم، مانند آمپ‌های Schiit Magni 3 که امپدانس خروجی آنها کمتر از 0.3 اهم است، راه حل مناسبی است. اگر هدفون‌ها به طور دقیق با آمپ‌هایی با امپدانس بالاتر مورد استفاده قرار گیرند، ممکن است پاسخ فرکانسی صاف مورد نظر به دست نیاید. برای جبران این مشکل، پیاده سازی الگوریتم‌هایی برای اصلاح انحرافات تونالی از طریق اندازه گیری دقیق امپدانس بار تمامی مدل‌های IEM و دریافت اطلاعات صحیح امپدانس خروجی آمپ هدفون ضروری است.
چرا امپدانس خروجی آمپ‌های هدفون باید غیر صفر باشد؟
همانطور که اشاره شد، دلیل اصلی استفاده از امپدانس خروجی غیر صفر در آمپ‌های هدفون، محدود کردن انتقال قدرت به بارهای با امپدانس پایین است. اما این تنها دلیل نیست. افزودن یک مقاومت تغذیه به خروجی آمپلی فایر هدفون می تواند محافظت مفیدی نیز ارائه دهد. آپ آمپ‌های قدیمی تر و حتی برخی مدارهای مجزا، معمولا در برابر بار پیچیده‌ای که هدفون و کابل آن ایجاد می کنند، آسیب پذیر هستند و به همین دلیل وجود یک مقاومت تغذیه برای حفظ پایداری مدار ضروری است. خوشبختانه، آپ آمپ‌های مدرن به اندازه‌ای مقاوم شده‌اند که دیگر نیازی به این مقاومت سری در خروجی نیست، اما حذف آن می تواند همچنان مدارهای آمپ را در معرض خطر قرار دهد. جک TRS هدفون، هنگام وصل یا جدا کردن، ممکن است به طور موقت خروجی‌های آمپلی فایر را به هم متصل کند. به عنوان مثال، SPL Phonitor یک پری آمپ هدفون فوق العاده است، اما اگر هدفون بی دقت از آن جدا شود هنگام پخش موسیقی، ممکن است به سادگی آسیب ببیند یا حتی غیر قابل استفاده شود. بنابراین اگر به اندازه کافی خوش شانس هستید که چنین دستگاهی دارید، مراقب باشید! یا شاید وقت آن رسیده که برای اتصال هدفون‌ها از کابل‌های XLR استفاده کنید؟
همچنین آمپلی فایرهای توزیع هدفون وجود دارند که امپدانس خروجی آنها بیش از 12 اهم است، تا اطمینان حاصل شود که اتصال چندین هدفون به طور همزمان به خروجی، موجب فشار بیش از حد بر مرحله خروجی نخواهد شد. هر هدفون اضافی که به این سیستم وصل شود، امپدانس کل بار را کاهش می دهد.
امپدانس و دیستورشن
اضافه کردن یک مقاومت به خروجی آمپلی فایر هدفون برای افزایش امپدانس، نه تنها ممکن است پاسخ فرکانسی هدفونهای متصل را تحت تاثیر قرار دهد، بلکه یک مشکل دیگر هم ایجاد می کند. در سال 2011، جان سایو، مدیر مهندسی Benchmark Media، مقاله سفید تحت عنوان آمپلی فایر هدفون ” 0 اهمی” منتشر کرد که در آن اندازه گیری‌هایی نشان داده شد که افزایش دیستورشن هارمونیک هنگام استفاده از یک مقاومت برای افزایش امپدانس خروجی آمپ از صفر به 30 اهم رخ می دهد. یک هدفون 60 اهمی Sony MDR-V6 با افزودن مقاومت 30 اهم به خروجی آمپلی فایر، تا 55 دسی بل افزایش دیستورشن هارمونیک کل را تجربه می کند. این مسئله نشان می دهد که استفاده از مقاومت‌های تغذیه می تواند نه تنها پاسخ فرکانسی را تغییر دهد، بلکه به دیستورشن نیز افزوده شود.
جان سایو اشاره می کند که افزایش دیستورشن به دلیل کاهش دمپینگ الکتریکی (electrical damping) درایور است. وقتی هدفون سونی با یک مقاومت ساده 60 اهمی جایگزین شد، هیچ تغییری در میزان دیستورشن ناشی از آمپلی فایر مشاهده نشد. همین آزمایش با هدفونهای Sennheiser HD650 نیز انجام شد که افزایش دیستورشن را نشان دادند، هر چند شدت آن کمتر بود و بیشتر در فرکانس‌های زیر 300 هرتز مشاهده می شد.
امپدانس خروجی بالا در نتیجه باعث افزایش دیستورشن در کل سیستم می شود که شامل هم آمپلی فایر و هم هدفون می شود و برخلاف انحرافات پاسخ فرکانسی، این مشکل را نمی توان با استفاده از تکنیک‌های DSP به راحتی اصلاح کرد. حداقل تا کنون چنین چیزی ممکن نبوده است.