[begemot]

Мысль посмотреть как выглядит импеданс головных телефонов у меня возникла после дискуссии о достоинствах и недостатках применения "костылей" (последовательных резисторов номиналом несколько Ом) на выходе телефонных усилителей. "Костыли" я не люблю. Но "неудачная" нагрузка телефонника в некоторых случаях может приводить к его неустойчивости. Соответственно интересно что именно подключается и как эта нагрузка влияет на усилитель. Причём интересно поведение в диапазоне до достаточно высоких частот, включая диапазон до нескольких десятков МГц, так как поведение именно в этой части частотного диапазона может существенно влиять на устойчивость.

Соответственно, померил импеданс нескольких динамических телефонов из того что было под рукой.
Как то: Sennheiser HD202, Sennheiser PX100 и Sony MDR-V150
Не бог весть что, но всё-таки. Ничего лучше под рукой не было.

Для измерений использовался AP Instruments Network Analyzer http://www.apinstruments.com/techImpedance.html в режиме измерения импеданса. Токозадающий резистор 1К.
Потому и привел график калибровки на 100 Омный резистор. Уж до 10Мгц там всё чисто даже без фазового сдвига. Щупы правда пассивные, но 500Мгц 1/10.

Первый график - калибровка, сопротивление 100 Ом, диапазон частот 10Гц-30МГц.

   

Дальше- графики импедансов для каждого из ушей,
1. НЧ 10-30К, акустическая нагрузка (т.е. на голове, голова настоящая, правильная, моя)
2. То же самое но без акустической нагрузки.
3. Широкая полоса, 10Гц-30Мгц
Видно что графики 1 и 2 несколько различаются, так как в первом случае работает акустическое демпфирование, во втором -практически холостой ход. Правда не сильно.
На третьем графике у всех ушей виден ВЧ резонанс. Что интересно - частота резонанса у всех трёх почти одинакова и примерно равна мегагерцу. У меня нет этому объяснения.

Sennheiser HD202:

           

Sennheiser PX100:

           

Sony MDR-V150:

           

[begemot]

Моделька 1
Достаточно хорошо аппроксимирует на НЧ. Так-же включает импеданс кабеля. Правда в несколько упрощённом виде. Без "кросстока" между каналами. Но корректно показывает резонанс на 1 Мгц из-за ёмкости кабеля и индуктивности катушки головки. Применимость модели - ну думаю что до нескольких Мгц, может до 10. Дальше лучше использовать "длинную линию", получается немного поточнее.

Модель 1

   

Импеданс модели, низкочастотная часть

   

Импеданс модели в широкой полосе

   

[begemot]

Остался не выясненным вопрос о резонансах выше 10Мгц. Для того чтобы уточнить этот момент я решил попробовать ввести в модель "crosstalk" между каналами. Ведь длинные кабели расположены близко между собой и взаимное проникновение на ВЧ (десятки мегагерц) может оказывать влияние на импеданс. Поскольку в LTSPICE (как и в большинстве обычных SPICE3 симуляторов) отсутствует модель связанных длинных линий, пришлось сделать дискретную модель. Верхняя частота модели есесьно определяется количеством RLC на единицу длины. При выборе 4 элементов на метр верхняя частота может считаться ну где-то порядка 50 Мгц. Всё определяется желаемой точностью. Но в данном случае нас скорее интересует качественная оценка. Для этой цели модель нормально себя ведёт и на более высоких частотах. Больше ставить было не охота, и так громоздко. Ну и соответственно добавлены элементы индуктивной и ёмкостной связи между линиями.

Собственно результат вполне показателен, на графике появляются дополнительные резонансы на ВЧ. Что и требовалось доказать.

Модель

   

Импеданс модели в широкой полосе

   

LTSPICE'овские файлы в зипе.

HeadPhoneZ.zip Размер: 5.29 KB  Загрузок: 13

Самое интересное, что при моделировании никто обычно не смотрит на влияние кабеля. А на мой взгляд это как раз самое любопытное с точки зрения усилителя для ушей. Причём именно с учётом crosstalk'a

[flipper]

Кстати, вроде на докторхэде много измерений в тч импа. Смотрел там, есть ровные совсем, типа сенн990, если не ошибаюсь. Однако народ говорит, что от усилка с низким Rвых бас все равно лучче :)

[begemot]

Ну не нравится мне костыли. Не правильно это. Телефоны проектируются на работу без костылей. Но с другой стороны, не все усилители могут работать на полмикрофарады ёмкости как Натаха. Я не говорю что это надо и что-то означает кроме того что она просто это может. Меня кстати больше интересовала область выше звукового диапазона. И эффект со связанными линиями забавный получается.

[flipper]

А вот всегда меня смущали эти длинные тонки шнурки, кстати.

[vitamir]

Мораль: между выходом собственно усиителя и наушниками всегда должен присутствовать разделительный Г- или Т- образный фильтр с индуктивностью в последовательной ветви, шунтированной резистором, и цобелем в параллельной ветви. Для исключения влияния на звук, настройка фильтра необходима не ниже 200..250 кГЦ. И это таки не костыль. Костыль, при отсутствии явного резистора последовательно с наушниками, в непостоянстве выходного сопротивления усилителя в зависимости от тока, отбираемого наушниками. В клинических случаях можно услышать.
Что касается взаимного проникновения, его природа скорее в конструкции усилителя между выходным каскадом, цепями питания и разъемом, состоящим из мамы на усилителе и папы на шнуре наушников.Дальше есть два варианта: четырехпроводное или трехпроводное подключение внутри клабеля от разъемов до излучателей. На практике встречаются оба варианта, но для себя любимого и переделать не грех.
Ваш КЭП

З.Ы. И откуда такая сложная модель импеданса излучателя? Каков физический смысл R3 и R4?

[nazar]

между выходом собственно усиителя и наушниками всегда должен присутствовать разделительный Г- или Т- образный фильтр с индуктивностью в последовательной ветви, шунтированной резистором

это азы

Что касается взаимного проникновения, его природа скорее в конструкции усилителя между выходным каскадом, цепями питания и разъемом,

а это в клинических случаях

Каков физический смысл R3 и R4?

правильная симуляция резонансов на ВЧ (1Мег) и НЧ

[vitamir]

Резонансы на ВЧ не свойство излучателя суть есть. Поэтому, резонно их симуляцию учитывать вне модели излучателя.
Повторяю вопрос: в чем физический смысл R3 и R4, как элементов модели излучателя. Остальные элементы такой смысл имеют.
Что касается клинических случаев, они не так уж редки в популярных моделях серийных усилителей, в чем легко убедиться с помощью того же прибора, которым топикстартер мерял импеданс наушников. А среди разъемов клиника присутствует в каждом втором

[nazar]

С кой поры индуктивность излучателя перестала быть его свойством? Пахнет новой сенсацией
70% усей для наушников (как пром так и ДИЙ) это клинические случаи вцелом))

[vitamir]

Резонансы на ВЧ возникают в наушниках (головных телефонах) - конкретной комбинации двух излучателей, папы разъема и кабеля их соединяющего.
В отдельно взятом излучателе, подключенном короткими отдельными проводами к выходу усилителя с нулевым импедансом таких резонансов не будет.
Поэтому, элементы, моделирующие такие резонансы, резонно включать в модель кабеля. Или где-то между моделью кабеля и моделью излучателя. если подходить строго.

[nazar]

Ага, значит индуктивность у излучателя идеальная, Р4 не нужен, нуну

[vitamir]

В первом приближении да, идеальна. В рабочем паспортном диапазоне подводимых к излучателю мощностей. Можно порассуждать о градиенте магнитного поля в зазоре, но тогда сложно будет рассуждать об импедансе
R2 модель понятно чего. И R1 не вызывает вопросов.
Чего модель R4? Какого свойства излучателя или его индуктивности?

[begemot]

моделирующие такие резонансы, резонно включать в модель кабеля.

Они туда и включены.

В рабочем паспортном диапазоне подводимых к излучателю мощностей

Это немного не о том. Особенно для головных телефонов

Индуктивность звуковой катушки и в громкоговорителях и в головных телефонах очень неточно моделируется простейшей линейной частотно независимой индуктивностью.
Это очевидно любому кто хоть раз пытался сравнить график импеданса головки громкоговорителя в верхней части звукового диапазона с поведением модели использующей
такую индуктивность. Для более точного моделирования необходимо задавать частотно зависимую индуктивность и, особенно, частотно зависимые потери.
Данный вариант является некоторым упрощённым компромиссом, который увеличивает точность практически без усложнения. Я не ставил себе целью получить "идеальную"
физическую модель с точным определением и моделированием всех "физических" параметров. Данная модель с моей точки зрения достаточна для определения критических моментов
в описании нагрузки телефонного усилителя.
Что касается разделения кабеля и головки, я рассматривал законченные изделия которые включают в себя тот кабель, с которым их поставляют производители.
Само разделение в модели присутствует достаточно наглядно, вместе с объяснением причин, по которым желательно учитывать влияние crosstalk'а в кабеле.
Желающие изменить кабель могут легко это сделать и в данной модели, если возьмут на себя труд корректно промоделировать (и, желательно, сначала измерить) тот
конкретный кабель который они используют. В чём проблема?

[vitamir]

Благодарю Вас.

моделирующие такие резонансы, резонно включать в модель кабеля.

Они туда и включены.

.
Что касается модели кабеля, мне она видится чуть иначе. Абстрактно, кабель наушников можно рассматривать как набор двух одинаковых собственных импедансов проводов в каждом канале, включенных последовательно импедансам излучателя в канале, и взаимного их импеданса, подключенного между общей точкой источика сигнала (выхода усилителя) и общей точкой соединения импедансов излучателей. Взаимный импеданс и будет описывать взаимное проникновение в кабеле. Это, на мой взгляд, ближе к истине и позволяет абстрагироваться от конструкции кабеля конкретных наушников. Для разных конструкций кабеля (три или четыре провода, моножила или литцендрат) будут разные значения взаимного активного сопротивления, взаимной индуктивности и взаимной емкости. Померять отдельно взятый кабель для оценки адекватности такой модели не сложно, препарировав наушники. Отдельно также стоит рассмотреть модель разъема, но там все чуть проще и ее можно включить в состав модели взаимного импеданса кабеля. Экспериментальная проверка модели импеданса разъема также сложностей не вызывает.

Это немного не о том. Особенно для головных телефонов
Индуктивность звуковой катушки и в громкоговорителях и в головных телефонах очень неточно моделируется простейшей линейной частотно независимой индуктивностью... Для более точного моделирования необходимо задавать частотно зависимую индуктивность и, особенно, частотно зависимые потери.

Верно ли я понимаю, что R4 модель частотно зависимых потерь в индуктивности катушки излучателя суть есть? Т.е. потерь в межслойной и межвитковой емкостях этой катушки? Т.е они существенны в верхнем звуковом и ультразвуковом диапазоне частот ? Или я снова не о том? И модель чего R3?

[bobby_ii]

Что интересно - частота резонанса у всех трёх почти одинакова и примерно равна мегагерцу.

как измерялись телефоны? На собственных шнурках или сами головки?
Может, емкость щупа (кабеля)/индрасс головок?
Еще из предположений: собственный резонанс обмоток (межслойная/межвитковая емкость / соотв.индуктивность).
Из области фантазий: мне кажется, что ГГ должны моделироваться как токовый трансформатор с соотв. сопр. первички, нагруженный на модель подвижки (таких моделей не встречал). Кажется, так проще задать и нелинейности и зависимости индуктивностей от положения подвижки. И вообще как-то более физически понятно получается.

[begemot]

Верно ли я понимаю, что R4 модель частотно зависимых потерь в индуктивности катушки излучателя суть есть? Т.е. потерь в межслойной и межвитковой емкостях этой катушки? Т.е они существенны в верхнем звуковом и ультразвуковом диапазоне частот ? Или я снова не о том? И модель чего R3?

Не совсем понял причём тут ёмкость. Да, это потери индуктивности, там же присутствует сердечник. По крайней мере так более правдоподобно. Кроме того, катушка же излучает. То-же резистивные потери.
С1 - это уже электромеханический эквивалент. В данном случае - гибкость подвеса. R3 вполне может быть чем-то типа механических потерь в подвесе. Почему они включены в ёмкостную часть? Мне показалось что так более точно аппроксимировался измеренный импеданс. В конечном итоге, можно долго фантазировать себе физические модели, но к сожалению численно измерить части этой модели не всегда очень просто. Если у Вас есть предложения по построению модели с отличной от этой топологией, но обеспечивающие более точные совпадения с измеренными кривыми при сравнимой сложности-буду рад на неё взглянуть. Хотя чисто практически мне оказалось вполне достаточно точности данной модели.
Кроме того, меня в первую очередь интересовала область выше нескольких сот килогерц, поскольку она оказывает наибольшее влияние на стабильность усилителя. При этом её практически никто и никогда не измеряет.

как измерялись телефоны? На собственных шнурках или сами головки?
Может, емкость щупа (кабеля)/индрасс головок?

На собственных шнурках.
Использовались пассивные 500Мгц пробники 1/10, то ли Тековские, то ли Аджилентовские (точно не помню). Ёмкость пробника около 10pF.
Там один из первых графиков-калибровка анализатора на 100 Ом. Особых проблем не замечено.

[pryanic]

Мораль: между выходом собственно усиителя и наушниками всегда должен присутствовать разделительный Г- или Т- образный фильтр с индуктивностью в последовательной ветви, шунтированной резистором, и цобелем в параллельной ветви. Для исключения влияния на звук, настройка фильтра необходима не ниже 200..250 кГЦ. И это таки не костыль. Костыль, при отсутствии явного резистора последовательно с наушниками, в непостоянстве выходного сопротивления усилителя в зависимости от тока, отбираемого наушниками. В клинических случаях можно услышать.

Эм... Так что ли?
   

[EDWARD]

R1+C1 параллельно R3(Load)

[naroznyv]

Эм... Так что ли?[attachment=2191]

чего-то вроде этого:



тож самое, но без фильтра:


На роль индуктивности позже сделаю тест FBMJ4516HS111-T(~1.5uH) и IHLP1212BZER2R2M11(2.2uH)