[討論] 解讀耳機規格：阻抗、SPL/V and dB/mW

看板Headphone (耳機)作者isoho (坐在魚缸旁邊的愚人)時間17年前 (2008/04/14 09:09)推噓31(31推 0噓 7→)

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耳機的規格數字跟聲音好聽不好聽沒有絕對的關係。可是對於選擇搭配耳機的設備，或是想要做電路DIY的人還是需要用到。其實網上解釋耳機規格的文章已經有很多，版上很多人也懂，但對一個像小弟這樣非電子相關科系的新手還是得參考很多資料才弄懂。所以我想用最明白的方式來說明(算是一種整理吧)，如有任何錯誤請指正!! 首先，阻抗(impedance)，用R表示，單位是歐姆(ohm)。他與電壓電流的關係是 V=IR or I=V/R。嚴格來說阻抗並不等於電阻(resistance，單位也是歐姆)，因為阻抗還考慮了相位(phase，這三言兩語不好解釋清楚)。對於直流電(direct current, DC)兩者是沒差別，但在交流電 (alternative current, AC)下就要用阻抗。因為耳機的輸入是變動的電壓訊號，所以用阻抗來表示。既然每個時刻的電壓都不相同，那我們該用什麼電壓值？不管什麼計算方法所得到的能量必須相同，因此有了Vrms的作為交流電在直流的等效電壓的概念。假設有個Vp ×sin((2π/λ)t)弦波電壓訊號，它的功率=∫([Vp ×sin((2π/λ)t)]^2/Rdt) ，積分範圍t=0~λ，須等於Vrms^2/R，約化後得到Vrms=Vp/√2≒0.707Vp的關係式(其實只有弦波才是這樣)。所以之後所談的V其實是Vrms。從能量(功率)的公式W(watt)=IV=V^2/R，可知在相同的電壓下，低阻抗的耳機會獲得較大的能量。某種程度上可以說是比較好推(容易出聲)(這中間還涉及一些觀念，以致於某些情況下並非如此，以後再說)。真正決定好推不好推的參數是我們接下來要談的感度。所謂SPL是Sound pressure level的簡稱，其值=20 ×log(P/Pr)，單位是dB(分貝)。 P指的是聲壓，單位是Pa(N/m^2)。Pr是reference sound pressure，在空氣中常用20μPa。聲音是藉著壓縮周遭空氣形成疏密波向外傳遞，可想而知距離音源越遠處聲壓就越小(越小聲)。那麼聲壓和距離是成二次方反比嗎？不，聲音密度(強度)(sound intensity, J, W/m^2)才是和距離二次方反比。聲壓和距離是一次方反比，即P正比1/r，這是在理想球面聲場的假設下。所以三者的關係是J~P^2~1/r^2。聲壓是一種壓力，聲音密度講的是能量，兩者不同。請注意能量(J)和聲壓(P)的關係：能量和聲壓的平方成正比。耳機廠商常用兩種方式來表示感度：dB SPL/V and dB/mW，其實兩者都是一樣，也就是可互相轉換。此處以AA上出現的問題作例子(我的算法略有不同，但都是等效的)，來證明： akg k12p的感度可表示成109dB/mW：輸入1mW，可得109的聲壓或127 dB SPL/V：輸入1V可得127dB的聲壓，阻抗為17ohm 1.假設k12p得到1mW的電能會有多大聲，又承受幾伏特？根據規格109dB/mW，不用說，就是109dB這麼大聲。再用電壓和電能的關係式W=V^/R，1*10^-3=V^2/17，得到0.13V ，即此時耳機承受0.13V。請注意127dB SPL/V是指輸入等於1V情況下輸出127dB，並非指輸入2V輸出就有254dB(耳膜振膜一起爆XD)。我們必須回到能量的角度來看，假設先給了k12p 0.13V的輸入電壓。剛剛的公式告訴我們是1mW的電能。根據127dB SPL/V，如果說有1V的輸入所產生的電能足以讓耳機轉換成127dB，那麼0.13V是多少？因為W和V平方正比，所以0.13V給電能是1V的0.13^2，即0.0169倍。故理論上0.13V所產生的聲音能量是1V的0.0169倍。先前請大家留意的：(聲音)能量和聲壓的平方成正比。因此0.0169又開根號回到0.13，所以0.13V輸入應該是1V輸入所得聲壓的0.13倍。算式為dB=20 ×log(0.13 ×P/Pr)=20 ×log(P/Pr)+20 ×log(0.13)= 127+20 ×log(0.13)=109.27，四捨五入等於109dB與前一個算法的結果相同。 2.也可以用109dB/mW為基礎，用輸入電壓1V計算： 1V產生1/17W的電能，是1mW的1000/17=58.82倍，又(聲音)能量和聲壓的平方成正比，會轉換成√58.82=7.669倍的聲壓。 dB=20*log(7.669*P/Pr)=109+20*log(7.669)=126.69四捨五入得到127dB 與127dB/1V的規格相同。以上是解釋，真正計算：知道輸入電壓Vin->dB=xxxdB/V+20*log(Vin) 知道輸入電能Win->db=xxxdB/mW+20*log(√Win in mW)) 感度可視為耳機將電能轉換成聲能(振動)的效率，所以越高的感度的耳機在得到相同電能下，發出的聲音會越大。這就是為什麼老手常說感度才是好不好推的關鍵。 p.s. 以下引用自精華區，pipi5867大大的文章： "平時所說的耳機的感度實際上是耳機的靈敏度級，它是施加於耳機上1mW的電功率時耳機所產生的耦合於仿真耳(假人頭)中的聲壓級，1mW的功率是以頻率1000Hz時耳機的標準阻抗為依據計算的。靈敏度的單位是dB/mW，另一個不常用的是dB/Vrms，即1Vrms電壓施於耳機時所產生的聲壓級。靈敏度高意味著達到一定的聲壓級所需功率要小，現在動圈式耳機的靈敏度一般都在90dB/mW以上，如果是為隨身聽選耳機，靈敏度最好在 100dB/mW左右或更高。" (小注：mW=milliW=0.001W) reference： http://en.wikipedia.org/wiki/Sound_pressure http://www.andaudio.com/phpbb2/viewtopic.php?t=39363 及其他... 感謝肯忍耐讀到這裡。 -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc) ◆ From: 140.112.14.237 ※ 編輯: isoho 來自: 140.112.14.237 (04/14 09:14)

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jikanson

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