Impedancja i jej wpływ na dźwięk słuchawek

Wraz z pojawieniem się zaawansowanych technicznie urządzeń mobilnych przeznaczonych do odtwarzania plików muzycznych coraz większą popularność zaczęły zyskiwać słuchawki charakteryzujące się niską impedancją. W związku z tym wśród modeli niskoomowych zaczęły się pojawiać słuchawki o wysokiej jakości. Okazały się one również atrakcyjne dla audiofilów, którzy wykorzystują słuchawki ze stacjonarnymi urządzeniami audio, w swoich domowych systemach. Szybko dostrzeżono różnice tak w brzmieniu, jak i w osiąganych poziomach głośności, w stosunku do dotychczasowych słuchawek do zastosowań domowych. Rozgorzał zatem kolejny spór, tak jak w przypadku konfrontacji lampa-tranzystor czy cyfra kontra analog, które z nich są lepsze i dlaczego.

Z punktu widzenia teorii projektowania urządzeń audio, w idealnym przypadku impedancja słuchawek nie powinna mieć żadnego wpływu na odtwarzany sygnał. Niestety życie bywa okrutne, a ideały – piękne i nieosiągalne. Okazuje się, że różnice w brzmieniu podłączanych do danego wzmacniacza czy odtwarzacza słuchawek zależą właśnie od jakości i budowy stopnia wyjściowego w takim urządzeniu.

Co to jest impedancja?

Wartość impedancji to z technicznego punktu widzenia wartość rezystancji dla prądu przemiennego. Jest podawana w omach (Ω). W zależności od konstrukcji słuchawek impedancja może wynosić od 8 do nawet 2000 omów. Pozornie, im większa wartość impedancji słuchawek, tym lepsza jakość dźwięku i większa odporność na szumy i zakłócenia. Niestety, nie do każdego urządzenia można zastosować wysokoimpedancyjne słuchawki, ponieważ może się okazać, że będą grały bardzo cicho. Wówczas może zajść konieczność zastosowania dodatkowo wzmacniacza słuchawkowego.

Do przenośnych odtwarzaczy MP3 i MP4 najlepiej będą nadawały się słuchawki o małej impedancji, np. 16 czy 32 omy. Nie oznacza to, że odtwarzacz nie poradzi sobie ze słuchawkami o nieco większej impedancji, ale trudniej będzie o uzyskanie odpowiednio wysokiego poziomu natężenia dźwięku. Słuchawki wysokoimpedancyjne (o impedancji liczonej już nawet w setkach omów) stosowane są najczęściej w profesjonalnych studiach nagrań. Można je bez obaw podłączać np. bezpośrednio do wyjścia liniowego w stole mikserskim.

Niektórzy producenci słuchawek, wychodząc naprzeciw oczekiwaniom klientów, mają nawet w swojej ofercie różne wersje tego samego modelu słuchawek, ale różniące się parametrem impedancji. Dzięki temu można wybrać konstrukcję, która najlepiej sprawdzi się w konkretnym zastosowaniu.

Współczynnik tłumienia wzmacniaczy słuchawkowych i wpływ kabla

Impedancja wyjściowa wzmacniacza, jest opornością dla sygnałów zmiennych, a więc to nic innego jak miara rezystancji wewnętrznej źródła (w tym wypadku wzmacniacza). Posługując się techniczną analogią, można ją sobie wyobrazić jako dodatkowy szeregowy rezystor włączony na wyjściu tego wzmacniacza (nie mylić z rezystorami ochronnymi, które służą do zupełnie innego celu). Jego wartość zależna jest od konstrukcji i rodzaju zastosowanej topologii. Najniższe wartości osiągają potężne wzmacniacze tranzystorowe, większe (znaczy to niestety gorsze) typowe wzmacniacze lampowe, a najwyższe wzmacniacze słuchawkowe. Dlaczego jest to niekorzystne? Ponieważ każdy wzmacniacz powinien być zbliżony do ideału, a więc jego impedancja wyjściowa powinna być zerowa. Czyli cała moc wyjściowa powinna być wykorzystana przez obciążenie - zespoły głośnikowe albo słuchawki.

A jak to wygląda w praktyce? Gdy impedancja wyjściowa nie jest zerowa, część tej mocy jest tracona w samym wzmacniaczu, a do dyspozycji użytkownik ma jedynie pozostałą część, którą można wyliczyć na zasadzie proporcji. Rola kabli połączeniowych w przypadku zespołów głośnikowych praktycznie jest pomijalna, natomiast przewody słuchawkowe mają zdecydowanie mniejszą średnicę, a więc ich oporność odgrywa znaczącą rolę (zwłaszcza dotyczy to konstrukcji egzotycznych czy butikowych) dodatkowo powodując kolejne straty mocy. O ile w przypadku słuchawek wysokoomowych i dedykowanych do nich wzmacniaczy słuchawkowych sprawa nie wygląda jeszcze tak źle, to w przypadku modeli niskoomowych (kilkunastooomowych) czy słuchawek dousznych zasilanych z urządzenia mobilnego sprawy tej nie można bagatelizować.

W przypadku wzmacniaczy słuchawkowych i odtwarzaczy przenośnych rezystancja kabla może, choć nie musi wcale, stanowić dość istotną część impedancji wyjściowej wzmacniacza albo odtwarzacza. Co w praktyce oznacza, że spora część mocy wyjściowej (i tak niezbyt dużej z powodu zasilania bateryjnego niskim napięciem) jest tracona w samym stopniu wzmacniającym oraz w kablu połączeniowym, zwłaszcza gdy ten ostatni ma stosunkowo dużą długość (np. kilka metrów, bo i takie kable słuchawkowe są oferowane na rynku). Warto zatem o tym pamiętać, zwłaszcza w kontekście uzyskiwanych realnie poziomów głośności.

Wpływ na brzmienie

Między impedancją samych słuchawek a jakością brzmienia nie ma żadnej zależności. Różnice wynikają z niedoskonałości zastosowanych rozwiązań technicznych i konfiguracji w jakiej pracują poszczególne urządzenia.

Wszyscy pamiętamy ze szkoły prawo Ohma. To z niego wynika, że im większy jest opór (impedancja), tym większe powinno być napięcie. Poza tym, moc jest iloczynem napięcia i prądu. W związku z tym, słuchawki niskoomowe są większym obciążeniem dla wzmacniacza (czerpią z niego duży prąd), ale przy tym najczęściej potrzebują mniejszego napięcia dla uzyskania wysokich poziomów głośności. Natomiast słuchawki wysokoomowe mniej obciążają wzmacniacz, ale do pełnego ich wysterowania wymagana jest duża amplituda sygnału (napięcie). Za to prąd przez nie pobierany będzie relatywnie nieduży.

Wynika to z faktu, że wzmacniacz ma określoną wydajność prądową, a prąd który płynie przez uzwojenia cewek w przetwornikach słuchawkowych jest zależny od napięcia na wyjściu wzmacniacza oraz impedancji tych cewek.

W związku z tym, że większość wzmacniaczy (także stopni wyjściowych w odtwarzaczach mobilnych) działa w domenie napięciowej, porównując przy tym samym położeniu regulatora głośności, słuchawki niskoomowe w większości przypadków będą grać głośniej niż modele wysokoomowe. A zatem korzystając z tych pierwszych będziemy wykorzystywać początek zakresu regulacji głośności, natomiast te drugie – raczej jej dalsze rejony.

Dlaczego nie wszystkie słuchawki niskoomowe dobrze „grają” z odtwarzaczami mobilnymi?

Perspektywa zastosowania niskich impedancji w słuchawkach okazała się bardzo kusząca dla konstruktorów. Nie dość, że nie będą wymagały zbyt dużych napięć, to jeszcze z układów półprzewodnikowych będzie można wycisnąć znacznie większy prąd niż np. z lamp – byle tylko baterie zasilające miały wystarczającą pojemność. I tu pojawił się problem. O ile z małymi słuchaweczkami dousznymi nie ma żadnych problemów, ponieważ ich skuteczność jest duża a masa membran mała i specjalnie dużo energii wcale nie potrzeba do ich rozruszania, to przy dużych słuchawkach z większymi membranami sprawa już nie wygląda zbyt optymistycznie. Specyficzne rozwiązania układowe wynikające z ograniczeń konstrukcyjnych (małe gabaryty odtwarzaczy mobilnych) powodują, że zaczyna brakować najniższych tonów, a dźwięk daleki jest od zamierzonej doskonałości. Dlatego też pojawiły się wzmacniacze słuchawkowe dedykowane do mobilnych plejerów, wyposażone w bardziej wydajne źródła energii oraz stopnie wyjściowe o większej wydajności prądowej oraz lepiej zabezpieczone przed nadmiernym przegraniem się.

A jak jest z urządzeniami stacjonarnymi?

Korzystając ze sprzętu domowego łatwo można usłyszeć wpływ rezystancji wyjściowej na równowagę tonalną słuchawek. Prawdę powiedziawszy nigdzie się o tym nie pisze, ale każdy może sam się przekonać, jak zmienia się charakter brzmienia w powiązaniu z wartością rezystorów (szeregowych na wyjściu układu - tuż przed gniazdem słuchawkowym). Otóż wszystkie dobre słuchawki (w przeciwieństwie do zespołów głośnikowych) są konstruowane przy założeniu istnienia określonej rezystancji wyjściowej wzmacniacza. Niestety producenci słuchawek jej nie specyfikują (podobnie zresztą jak producenci wzmacniaczy).

Można wyodrębnić trzy przesłanki przemawiające za obecnością rezystorów na wyjściu słuchawkowym. Duże wzmacniacze mocy, zasilane wyższymi napięciami tj. ponad +/-50V, mają wbudowane rezystory o wartości kilkuset omów. Tu liczy się parametr dopuszczalnej mocy słuchawek, która dla większości modeli nie przekracza 500mW.

Z drugiej strony, także małe wzmacniacze posiadają rezystory słuchawkowe, ponieważ sama budowa wtyku JACK powoduje, iż podczas umieszczania go w gnieździe występuje chwilowe zwarcie między kanałami (zwarcie trwa przy niedokładnym włożeniu wtyku).

Trzecią przesłanką jest dążenie producentów wzmacniaczy do obsłużenia wszystkich słuchawek dostępnych na rynku - o impedancji 30...600 omów. Niskoomowe wymagają niższych napięć dla uzyskania tej samej mocy. Odpowiedni rezystor tworzy po prostu dzielnik napięcia z rezystancją cewki i użyteczny zakres potencjometrycznej regulacji głośności nie ulega wyraźnemu zawężeniu.

Niektóre zaawansowane konstrukcyjnie wzmacniacze są wyposażone w odpowiednie przełączniki impedancji słuchawek, umieszczane tuż obok gniazda słuchawkowego na przednim panelu np. droższe modele wzmacniaczy stereofonicznych firmy Yamaha.

Wnioski końcowe

Z powyższych względów trudno jest w skali bezwzględnej ocenić brzmienie słuchawek z konkretnym wzmacniaczem. Istotne są różnice jakie mogą się pojawić w różnych konfiguracjach sprzętowych. Dla osób nie usatysfakcjonowanych takim obrotem sprawy, pocieszeniem niech będzie fakt, że słuchawki obok specyficznych i nie do końca akceptowalnych cech (skrócona panorama i wypływająca stąd błędna lokalizacja pozornych źródeł dźwięku) zapewniają i tak lepszą równowagę tonalną - zwłaszcza w obszarze tonów średnich - niż część absurdalnie drogich zespołów głośnikowych.