Что такое импеданс колонок и как подобрать усилитель по этому параметру

Содержание

Что такое импеданс

Строго говоря, импеданс представляет собой полное электрическое сопротивление акустической системы. Она обычно состоит из динамиков и кроссоверов, у которых за счет электромагнитной катушки и небольшого набора радиодеталей есть определенное сопротивление постоянному току. Однако звук в проводах представляет собой ток переменный, соответственно, при разной частоте сигнала сопротивление будет разным. Чтобы избежать путаницы, импеданс акустики обычно измеряется на частоте 1000 Гц. Таким образом, термины «сопротивление» и «импеданс» тождественны.

В общем и целом, импеданс говорит о том, насколько сложно будет усилителю нагрузить динамик и какую нагрузку он предоставляет усилителю. При этом действует правило:

Чем меньше импеданс динамика/колонки, тем сложнее усилителю будет ее нагрузить.

То есть, динамик с сопротивлением 4 Ом усилителю будет сложнее раскачать, чем динамик с импедансом 8 Ом. Это следует из закона Ома: напряжение, деленное на сопротивление, дает силу тока. Т. е. сила тока обратно пропорциональна сопротивлению в цепи. Если последнее снижается, то либо току, либо напряжению нужно увеличиваться, чтобы сохранить тот же уровень громкости.

Импеданс можно измерить и в домашних условиях: понадобится аудиокарта, усилитель, динамик и соответствующий софт. В результате получится график, который, к удивлению экспериментатора, может быть далек от паспортных данных.

Обычно импеданс имеет большой горб в области баса из-за резонансов и плавно растет на высоких — из-за реактивного сопротивления магнитной катушки динамика. На пиках сопротивление может подскакивать намного выше заявленных характеристик, что нужно учитывать при конструировании концертных залов и студий. Однако это не является большой проблемой для домашней акустики, если не эксплуатировать ее на пределе возможностей.

Аналогия с сопротивлением

В отличие от резистора, электрическое сопротивление которого характеризует соотношение напряжения и тока на нём, попытка применения термина электрическое сопротивление к реактивным элементам (катушка индуктивности и конденсатор) приводит к тому, что сопротивление идеальной катушки индуктивности стремится к нулю, а сопротивление идеального конденсатора — к бесконечности.

Сопротивление никак не описывает реактивные свойства элементов потому, что оно рассматривается на постоянном токе, то есть на нулевой частоте, когда реактивные свойства не проявляются. В то же время в случае переменного тока свойства реактивных элементов существенно иные: напряжение на катушке индуктивности и ток через конденсатор не равны нулю, однако это поведение сопротивлением уже не описывается [1] . Было бы удобно иметь некоторую характеристику и для реактивных элементов, которая бы при любых условиях связывала ток и напряжение на них подобно сопротивлению.

Такую характеристику можно ввести, если рассмотреть свойства реактивных элементов при гармонических воздействиях на них. В этом случае ток и напряжение оказываются связаны некоей стабильной константой (подобной в некотором смысле сопротивлению), которая и получила название электрический импеданс (или просто импеданс). При рассмотрении импеданса используется комплексное представление гармонических сигналов, поскольку именно оно позволяет одновременно учитывать и амплитудные, и фазовые характеристики сигналов и систем.

Почему импеданс важен?

Согласованность усилителя и колонок по импедансу обеспечит безопасную и долговечную работу обоих приборов, избавит от проблем и искажений звука. В свою очередь, если подключить колонки с импедансом в пару Ом к усилителю, рассчитанному минимум на 8 Ом, и включить громкую музыку, тогда динамикам можно сказать до свидания.

Помимо этого, мощность усилителя на выходе напрямую зависит от импеданса акустики: чем выше импеданс, тем меньше мощность. Например, усилитель, выдающий по 50 Вт на канал с колонками на 4 Ом, обеспечит лишь по 25 Вт на колонку с импедансом 8 Ом. Грубо говоря, в первом случае будет громче. Часто в спецификациях усилителя указывается, какова будет его мощность в сочетании с акустикой, исходя из базовых значений импеданса.

Что лучше — высокий или низкий импеданс?

Ценители качественного звука обычно предпочитают колонки с более высоким импедансом. Эта традиция отчасти идет от наушников: там студийные и аудиофильские модели имеют импеданс в 300 и более Ом. Считается, что высокоомная нагрузка более благоприятна для усилителя, так он выдает меньше искажений.

В автозвуке и бытовой акустике, где мощность важнее нюансов звучания, чаще выбирают акустику с более низким импедансом. Но здесь стоит помнить, что чем ниже импеданс, тем большую роль в общем сопротивлении играют провода. Отчасти поэтому аудиофилы уделяют им так много внимания и предпочитают высокое сопротивление динамиков.

Тем не менее, в конечном счете, куда важнее оказывается качество изготовления прибора, а не его импеданс, а также правильное согласование усилителя и громкоговорителей.

Как подобрать усилитель по импедансу?

На самом деле с импедансом все просто. В большинстве случаев сопротивление и колонок, и усилителей находится в диапазоне 4-8 Ом, так что долго ломать голову с выбором не придется. Стандарты динамиков для автозвука — 2, 3 и 4 Ом. При выборе усилителя нужно, чтобы колонки подпадали под этот диапазон. При этом:

Допустимо подключение колонок с высоким импедансом (например, 8 Ом) к усилителю, способному работать с низким импедансом (4 Ом). Однако в таком случае усилитель будет выдавать в два раза меньшую мощность (иными словами, звук будет тише), поэтому такой вариант нельзя назвать идеальным.
Но динамики с низким импедансом (4 Ом) не подойдут к усилителю с минимальным допустимым импедансом около 10 Ом — в этом случае есть риск, что динамики порвет на клочки от какого-нибудь забористого дабстепа. Хотя стоит отметить, что в большинство усилителей встроена защита от перегрузки, так что, скорее всего, он просто выключится.
Лучше всего, когда импеданс колонок и усилителя одинаков.

Нестандартные значения импеданса бывают, в основном, в экзотических аудиофильских системах. Бывают и многоканальные усилители, в которых сопротивление на канал можно переключать самостоятельно в определенном диапазоне. Яркий пример — гитарные усилители, которые имеют отдельные выходы для динамиков с разным сопротивлением.

Как подогнать импеданс под усилитель?

Есть простой хинт, позволяющий точно согласовать почти любые колонки с любым усилителем. Если импеданс колонок слишком высок, нужно подключить их к усилку параллельно, а если слишком низкий — последовательно:

При параллельном подключении импеданс каждого динамика делится на количество динамиков. К примеру, две колонки по 4 Ом или четыре по 8 Ом дадут всего 2 Ом.
При последовательном — складывается: две колонки по 4 Ом дадут 8 Ом. Это простая физика из школьного учебника.

Последовательное соединение

При последовательном соединении, согласно Закону Ома для переменного тока, во всех элементах цепи ток будет общим I = U/Z, а значения напряжений на каждом элементе определятся пропорционально его сопротивлению:
на выводах резистора UR = IR; на выводах конденсатора UC = IXC; на выводах катушки UL = IXL.

Векторы индуктивной и ёмкостной составляющих напряжения направлены в противоположные стороны. С учётом отрицательного ёмкостного сдвига, общее напряжение на реактивных элементах UX = UL — UC. Пропорционально напряжению, получим общее реактивное сопротивление X = XL — XC . Векторы напряжений на активной и реактивной составляющей импеданса имеют угол сдвига фаз 90 градусов. U , UR и UX представим в виде прямоугольного треугольника напряжений с углом сдвига фаз φ.

Тогда получим соотношение, согласно Теореме Пифагора, U ² = UR² + UX² . Следовательно, с учётом пропорциональности элементов R, L, C значениям напряжений на их выводах, определим импеданс, который будет равен квадратному корню из суммы квадратов активного и реактивного сопротивлений цепи.

XL = ωL = 2πfL — реактивное сопротивление индуктивности.
XC = 1/(ωC) = 1/(2πfC) — реактивное сопротивление ёмкости.

Угол сдвига фаз φ и его дополнение до 90° δ определятся тригонометрическими функциями из треугольника сопротивлений с катетами R, X и гипотенузой Z, как показано на рисунке:

Обычно, для облегчения расчётов, импеданс представляют в виде комплексного числа, где действительной его частью является активное сопротивление, а мнимой — реактивное. Для последовательного соединения импеданс можно записать в комплексном виде следующим образом:

Z = R + jX

Тогда в тригонометрической интерпретации модулем этого числа будет импеданс, а аргументом — угол φ.
В соответствии с формулой Эйлера, запишем показательную форму комплексного импеданса:

Z = |Z|ejargZ = Zejφ

Отсюда активная составляющая импеданса R = Zcosφ
Реактивная составляющая X = Zsinφ.

Параллельное соединение

Для вычисления импеданса при параллельном соединении активных и реактивных сопротивлений будем исходить из суммы обратных им величин — проводимостей y = 1/Z, G = 1/R, b = 1/X.

y = 1/Z = √(G2 + b2)

Сдвиг фаз в этом случае будет определён треугольником сопротивлений следующим образом:

Комплексную проводимость, как величину, обратную комплексному импедансу, запишем в алгебраической форме:

Y = G — jb

Либо в показательной форме:

Y = |Y|e -jφ = ye -jφ

Здесь:
Y — комплексная проводимость.
G — активная проводимость.
b — реактивная проводимость.
y — общая проводимость цепи, равная модулю комплексной проводимости.
e — константа, основание натурального логарифма.
j — мнимая единица.
φ — угол сдвига фаз.

Разновидности аппаратуры в зависимости от значений сопротивления

Аппаратура относится к тому или иному виду, в зависимости от ее технических показателей. Наушники могут иметь разный частотный диапазон или чувствительность. Знание о сопротивлении ваших наушников может оказаться очень полезным. Наушники в 32 Ом могут звучать очень хорошо и исправно выполнять свои функции, равно как и высокоомные наушники. Сопротивление наушников исчисляется в значениях Ом, по имени известного немецкого ученого.

В зависимости от того, в подаче какого напряжения нуждается гарнитура, наушники делятся на:

Высокоомные;
Низкоомные.

Полноразмерная аппаратура, накладные и большие наушники могут иметь следующие показатели:

Сопротивление ниже 100 Ом для низкоомных наушников;
Считая от 100 Ом, полноразмерные наушники являются высокоомными.

Внутриканальные наушники с маленькими динамиками, которые предназначены для удобного размещения в ушной раковине, имеют следующие виды значений Ом:

Сопротивление достигает менее 32 Ом, что определяет наушники как низкоомные;
У высокоомных внутриканальных наушников сопротивление обязательно больше 32 Ом.

ВАЖНО! На выходе у смартфонов и плееров установлены ограничения на напряжение. Таких ограничений на подачу тока не стоит. Большое количество тока на выходе сильно портит звук.

В высокоомных наушниках сопротивление току выше, а значит, и звук получается чище и лучше. Выходное напряжение на стационарных приборах не ограничено так, как в случае с портативными девайсами. Поэтому хорошие высокоомные наушники можно эффективно использовать дома без потери качества звука. В это же время, мобильные устройства просто не создают достаточно напряжения, чтобы раскрыть звук в высокоомных наушниках.

Громкость задается сопротивлением и звуковым давлением. SPL, или звуковое давление, измеряется в децибелах на мВатт. Устройства с одним и тем же звуковым давлением при подключении к плееру с потенциалом в 1 вольт, могут выдать совершенно разное звучание. А зависеть оно будет от значения сопротивления.

Кривая импеданса для разных видов устройств

Посмотрим, как зависит частота от сопротивления в различных устройствах. Пределы частоты зададим значениями в 20 и 20000 Гц.

Полноразмерная гарнитура динамического типа создает кривую импеданса, формирующую небольшие подъемы при функционировании на низких и высоких частотах. Это означает, что, даже если задано стандартное сопротивление в наушниках на 32 Ом, реальное сопротивление может отклоняться от указанного в два или три раза.
У внутриканальных устройств кривая импеданса является прямой линией, без каких-либо отклонений. Линия лежит в горизонтальной плоскости, параллельно шкале Гц. Это верно, когда мы задаем стандартные значения сопротивления Ом в 16, 24 и 32.
Аппаратура с изодинамическими и ортодинамическими свойствами, тоже имеют импеданс, выраженный горизонтальной линией. Тем не менее, на ультравысоких частотах могут возникать локальные отклонения. Это происходит только с некоторыми моделями и не является обязательным правилом.
Арматурная гарнитура внутриканального вида дает чистый красивый звук на высоких частотах. Причиной этому является то, что график импеданса взлетает на высокой частоте. Такое происходит во многих однодрайверных устройствах. Отсутствие искажений звука позволяет полнее им наслаждаться.
Когда речь идет о многодрайверных наушниках и о гибридным типе гарнитуры, можно отметить, что на значениях свыше 500 Гц кривая импеданса непредсказуемо мечется то вниз, то вверх. Просадка снижается до показателя в 4 Ом. В это же время производители заявляют о том, что просадка составляет 100 Ом на 1кГц.

ВАЖНО! Показатели импеданса наушников сильно отличаются от заявленных производителями значений сопротивления. Потому, если самостоятельно проводить измерения при помощи мультиметра, цифры будут сильно расходиться с указанными в соответствующих документах. Это нормально.

Оптимальные значения импеданса для использования с различными устройствами

Большое сопротивление задает низкую чувствительность в наушниках. Если вы будете использовать наушники с различным импедансом на одном и том же воспроизводящем устройстве, заряд батареи автономного питания будет расходоваться с разной скоростью. Это происходит потому, что приборы с отличающимися показателями сопротивления потребляют разное количество электроэнергии. Чтобы лучше представить, какое сопротивление подходит определенным типам техники, рассмотрим несколько примеров.

Портативный усилитель для оптимального звучания

Высокоомные наушники дают лучшее качество звука, но могут играть слишком тихо на портативных устройствах. Чтобы данная проблема не стояла остро, мощность динамиков должна соответствовать устройству. Иначе громкость звучания всегда будет неудовлетворительной. Если нельзя добиться нужного звука, сочетая наушники с приборами, попробуйте воспользоваться специальным усилителем.

Подбор наушников с правильным импедансом помогает аудиоустройству функционировать стабильно, служить долго и выдавать звук достаточно удовлетворительного качества. Хороший звук ценят не только профессионалы, каждый день работающие в музыкальной сфере. Любому человеку приятно иметь устройство, выдающее чистое, глубокое и красивое звучание. Раздражающие шумы, слишком тихий звук или быстрый расход батареи могут сильно испортить настроение.

Высокие показатели импеданса наушников обеспечивают небольшую отдачу тока. За счет этого расходуется меньше энергии, а частотных искажений происходит меньше. Характеристики амплитуды и частоты в высокоомных наушниках выравниваются благодаря работе через усилитель.

Чтобы понять, какое сопротивление звучит в вашем устройстве, определите, на какое напряжение способно ваше устройство. Маленькие приборы физически не могут создавать большое напряжение. Большое напряжение на выходе образуют приборы стационарного типа, работающие от сети, а не от батареи. Поэтому сопротивление наушников для стационарных устройств звуковоспроизведения должно быть выше, чтобы полнее насладиться возможностями хорошей техники. Однако хороший усилитель может проконтролировать процесс взаимодействия технических приспособлений, сгладить недостатки и раскрыть потенциал приборов.

Какой импеданс в разных видах наушников?

Эти устройства делятся на два типа – полноразмерные и внутриканальные (маленькие наушники, в быту их называют «затычками» или вкладышами). Внутри каждой группы – есть дополнительное деление. Полноразмерные наушники делятся на низкоомные (импеданс составляет до 100 Ом) и высокоомные (импеданс выше 100 Ом).

Внутриканальные гаджеты тоже делятся на низко- и высокоомные, только цифры будут другие – до 32 Ом (выпускают стандартные варианты с показателями 16 и 24 Ом) и больше 32 Ом соответственно.

Значение импеданса производители обычно указывают в усредненном виде. Но для внутриканальных моделей оно обычно соответствует реальности. А для динамических полноразмерных гаджетов возможна большая разница, поскольку значение зависит от положения в пространстве, и для одного и того же устройства могут быть характерны подъёмы сопротивления в диапазоне 32-64 Ом. Многое зависит от конкретного изделия, его конструкции, особенностей корпуса и т.д.

Но это не означает, что обязательно нужно искать полноразмерные динамические наушники с прямой линией импеданса. Часто для достижения такого показателя производитель снижает другие характеристики. В моделях топ-класса могут встречаться устройства с большими отклонениями значений импеданса. Нужно учесть это при покупке и подбирать модель так, чтобы она соответствовала сопротивлению усилителя.

Беспроводные наушники также могут быть полноразмерными и внутриканальными. Требуемый уровень сопротивления отвечает приведенным правилам.

Бывают также гибридные наушники, оснащенные динамическими и арматурными драйверами. Они тоже могут быть низко- и высокоомными, но для них характерны значительные скачки сопротивления на средних и высоких частотах, поэтому выбирать их сложнее.

Что такое сопротивление

Ток, протекая через провода и различные радиодетали, тратит свою энергию. Это явление количественно выражается величиной сопротивления. В электротехнике его разделяют на активное и реактивное сопротивление. В первом случае при прохождении тока часть его энергии превращается в тепловой вид, а иногда и в другие (например, проявляется в химических реакциях). Величина активного сопротивления зависит от частоты переменного электротока и возрастает с ее увеличением.

Второй тип сопротивления имеет более сложную природу и возникает в момент включения или выключения потребителя электроэнергии в сеть переменного или постоянного тока. В цепи с реактивным сопротивлением энергия электрического тока частично превращается в другую форму, а затем переходит обратно, то есть, наблюдается периодический колебательный процесс. Полное сопротивление цепи включает в себя активный и реактивный типы, которые учитываются по особым правилам.

Виды сопротивления

В электротехнике рассматривается активное электрическое сопротивление, а также две разновидности реактивного: индуктивное и ёмкостное.

Активное сопротивление

Можно представить себе электрическую цепь, в которой к клеммам батарейки через провод последовательно присоединены резистор и электрическая лампочка. Если замкнуть провода, лампочка загорится. Можно использовать вольтметр или мультиметр в соответствующем режиме работы, с помощью которых измеряется разность потенциалов между двумя точками цепи.

Измерив напряжение между клеммами и сравнив его с тем, которое имеется на проводах подсоединённых к лампочке, можно увидеть, что последнее меньше. Это связано с падением напряжения на впаянной в цепь радиодетали. Последняя оказывает противодействие электрическому току, затрудняя его прохождение.

Активным сопротивлением обладает каждая деталь, через которую проходит ток. У металлических проводов оно очень маленькое. Чтобы узнать величину сопротивления радиодетали, нужно изучить обозначение на ее корпусе. Если из рассматриваемой электроцепи убрать резистор, то сила тока, проходящего через лампочку, увеличится.

Реактивное сопротивление

Этот вид возникает тогда, когда переменный ток проходит сквозь элемент, который обладает индуктивностью или емкостью. Основной особенностью реактивного сопротивления является преобразование электрической энергии в другую форму в прямом и обратном направлениях. Часто это происходит циклически. Реактивное сопротивление проявляется только при изменениях силы тока и напряжения. Существует два его вида: индуктивное и емкостное.

Индуктивное сопротивление

При увеличении силы тока порождается магнитное поле, обладающее различными характеристиками. Наиболее важной из них является индуктивность. Магнитное поле, в свою очередь, воздействует на проводник, по которому протекает ток. Влияние является противоположным направлению изменения тока. То есть, если сила тока увеличилась, то магнитное поле будет уменьшать его, и наоборот, если снизилась, то поле усилит его. Когда ток не меняется, реактивное сопротивление катушки индуктивности будет равно нулю.

Индуктивное сопротивление зависит от частоты тока. Чем она выше, тем выше скорость изменения данного параметра. Это значит, что будет образовано более сильное магнитное поле. Возникающая при этом ЭДС препятствует изменению электрического тока.

Расчет реактивного индуктивного сопротивления осуществляется по такой формуле:

XL = L×w = L×2π×f, где буквами обозначаются:

L — индуктивность магнитного поля, которое порождается изменением силы тока;
W — круговая частота изменения, которая используется в описании синусоидального изменения силы тока;
Π — число «пи»;
f — частота тока в обычном смысле.

При синусоидальном изменении напряжения сила тока будет меняться, отставая от него по фазе. Поэтому реактивное сопротивление трансформатора существенно зависит от его индуктивности.

Емкостное сопротивление

Оно имеет иную природу, чем индуктивное. Это понятие удобно проиллюстрировать на примере электрической цепи, состоящей из источника питания, клеммы которого соединены с обкладками конденсатора. Сразу после подключения на них будет постепенно накапливаться заряд, создавая ток в цепи.

После достижения предельной величины, которая определяется ёмкостью детали, ток не будет проходить по цепи. Если после этого отключить провода от клемм, а затем последние соединить, то между ними начнётся перемещение зарядов до тех пор, пока разность потенциалов станет равной нулю.

Если к конденсатору подключить источник переменного тока, то будет происходить следующее. С увеличением разности потенциалов заряд на обкладках конденсатора будет расти. Когда напряжение перейдёт в фазу уменьшения, накопленный заряд начнёт стекать с них, образуя ток противоположного направления. Затем разность потенциалов станет отрицательной, но по абсолютной величине будет расти до максимального значения. При этом конденсатор начнет вновь заряжаться, но при этом знак поступающих зарядов будет не такой, который был раньше.

Когда напряжение начнёт увеличиваться (уменьшаясь по абсолютной величине), заряд с обкладок конденсатора будет стекать. Когда разность потенциалов у источника достигнет нуля и продолжит увеличиваться, начнётся новый цикл изменений.

На каждом этапе описанной ситуации ток с обкладок конденсатора будет иметь направление противоположное тому, которое порождается переменной разностью потенциалов источника питания.

Происходящее таким образом уменьшение силы тока представляет собой физический смысл ёмкостного сопротивления. Оно обозначается буквами ХС и рассчитывается по формуле:

XС = 1/(w×C) = 1/(2π×f×C), где

C — ёмкость используемого конденсатора;
w — круговая частота переменного тока;
π — число «пи»;
f — частота переменного тока.

В рассматриваемом случае изменения тока отстают от напряжения.

Как измерить сопротивление наушников?

Иногда процедуру измерения показателя ошибочно называют импедансометрией. Но на самом деле это название диагностической медицинской процедуры. А для наушников проводится стандартное измерение сопротивления. Чтобы получить детальные соотношения и графики потребуются лабораторный стенд и специальное программное обеспечение.

Импеданс измеряется в Омах. Но это не значит, что его можно определить с помощью омметра. Это только допущение, как будто бы в электрическую цепь включается резистор вместо настоящей нагрузки. Если наушники подключены к компьютеру, то измерение производит его звуковая карта, используя специальное ПО.

Потребителю знать следует активное сопротивление. Узнать, сколько составляет этот показатель можно с помощью мультиметра – это бюджетное устройство, которое легко купить в интернет-магазине или одолжить у электрика.

Какое сопротивление наушников лучше

Подбирают этот параметр в зависимости от того, к какому устройству будут подключать наушники. Например, если это смартфон или ноутбук, то люди с опытом рекомендуют покупать для них модели со значением импеданса не свыше 50 Ом. Больше не нужно, поскольку компактные устройства вроде телефона или планшета не могут обеспечить высокий уровень громкости и соответствующую мощность.

Если потребитель подбирает гаджет к смартфону, то исходить придется из того, что сопротивление на уровне 22 Ом будет давать громче звук. Модель с импедансом в 32 Ом дает тихое звучание. Зато музыка будет играть дольше на 25% (ориентировочно) по сравнению с первым примером.

Для подключения к компьютеру нужны модели с показателем не ниже 50-60 Ом. Такие высокоомные наушники подключать допускается даже к музыкальному центру. Опытные люди рекомендуют перед покупкой таких моделей рекомендуется проверить качество и громкость звучания. Для этого наушники подключают к тому устройству, с которым их планируют использовать в дальнейшем. Модели, которые дают чистый звук, необязательно стоят дорого, это могут быть изделия со средними показателями, но надежной сборкой,

Если даны конкретные указания производителя акустики или смартфона – лучше следовать им. Наушники с высоким показателем импеданса означают повышенные энергозатраты, но зато лучше защищены от короткого замыкания или перегрева.

На уровень громкости устройства влияет чувствительность. Показатель зависит от импеданса наушников. Поэтому при выборе модели нужно проверять или измерять самостоятельно и этот показатель энергозатраты.