耳機和放大器的阻抗

Alex Chen
2024年1月21日
讀畢需時 13 分鐘

簡介：

耳機輸出源的阻抗是相同耳機在不同輸出源上聽起來不同的最常見原因之一。這個重要的參數很少由製造商指定，但它可以對音質和耳機的兼容性產生巨大的影響。

耳機阻抗移動：

本文曾涵蓋了輸出阻抗和耳機阻抗兩個方面。但為了縮短文章長度，我將它們拆分了。因此，如果你正在尋找有關耳機的信息，請參見：

簡短版本：

你真正需要知道的是，大多數耳機在輸出阻抗小於耳機阻抗的1/8時效果最佳。因此，例如，對於32歐姆的Grados耳機，最大輸出阻抗可以是32/8 = 4歐姆。Etymotic HF5的阻抗是16歐姆，所以最大輸出阻抗是16/8 = 2歐姆。如果你想確保一個音源能夠與幾乎任何耳機良好配合，只需確保輸出阻抗低於2歐姆。

為什麼輸出阻抗很重要？它之所以重要，至少有三個原因：

輸出阻抗越大，對較低阻抗負載的電壓降低越大。這種降低可能足夠大，以至於無法將低阻抗耳機驅動到足夠高的音量水平。一個現實世界的例子是Behringer UCA202，其輸出阻抗為50歐姆。它在一些16 - 32歐姆的耳機上表現不佳。
耳機阻抗隨頻率變化。如果輸出阻抗遠高於零，這意味著傳送到耳機的電壓也會隨著頻率變化。輸出阻抗越大，頻率響應偏差越大。不同的耳機將以不同的方式與音源互動，通常是不可預測的方式。有時，這些變化可能很大，並且顯然可聽到。
隨著輸出阻抗的增加，電氣阻尼減少。如果沒有足夠的阻尼，耳機的低音性能，如制造商所設計的那樣，可能會在聽覺上受到損害。低音可能變得更加"沉重"且不受控制。瞬態響應變差，深低音性能受到損害（耳機在低頻時會更早地截斷）。一些人，比如那些喜歡非常溫暖的"管子般"聲音的人，可能會喜歡這種低阻尼的低音。但它幾乎總是比使用低阻抗源更不準確。

1/8規則：

為了最小化上述三個問題，只需要保持輸出阻抗小於耳機阻抗的1/8。換句話說，只需將耳機阻抗除以8，以獲得最大輸出阻抗，而不會潛在地影響聽覺。

是否有輸出阻抗的標準？

我所知道的唯一標準是1996年的IEC 61938。它規定輸出阻抗為120歐姆。有很多原因可以解釋為什麼這一標準已經過時且非常糟糕。

在一篇關於耳機的Stereophile文章中，他們談到了120歐姆標準：

"寫這個標準的人一定生活在幻想的世界中。"

我同意Stereophile的看法。120歐姆的標準在iPod和其他便攜式音樂播放器變得非常流行之前可能（勉強！）還能被接受，但現在不再適用。大多數耳機今天設計非常不同。

擬標準：

許多專業設備具有20 - 50歐姆的耳機輸出阻抗。我不知道有哪個設備遵循120歐姆的IEC標準。消費者設備的輸出阻抗通常在0 - 20歐姆之間，除了真空管和某些其他異數設計外，大多數高端發燒友耳機源都遠低於2歐姆。

iPod的影響：

自1996年以來，音樂播放器從低保真卡帶和跳針的便攜式CD播放器發展到了大規模的iPod熱潮。蘋果幫助實現了高質量音頻的便攜，目前流通的便攜式數字音樂播放器至少有五億台，不包括手機在內。這些電池只能產生超過3伏的電壓，這意味著通常只能推動典型耳機（有時甚至更少）不到1伏的RMS音頻輸出。如果在輸出端添加120歐姆，並使用典型的便攜式耳機（幾乎所有的耳機都在16 - 32歐姆的範圍內），通常無法播放足夠大的音量。並且120歐姆電阻器中的大多數電能會被浪費為熱能。只有一小部分電能能夠傳遞到耳機中。在便攜式音頻中，從越來越小的設備中獲得最佳電池壽命非常重要，這是一個很大的問題。將所有電能傳遞給耳機更加高效。

耳機設計：

耳機製造商設計的輸出阻抗是多少？截至2009年，已經售出了超過2.2億部iPod。iPod和類似的便攜式播放器是耳機市場中的巨頭。因此，不奇怪的是，大多數製造商開始設計許多或所有耳機，以確保與iPod兼容。這意味著它們的設計目標是在輸出阻抗低於10歐姆的情況下工作。而且更高端的大型耳罩式耳機往往是為那些遵循1/8規則或具有接近零輸出阻抗的音源設計的。據我所知，目前沒有為家用而設計的高端發燒友耳機符合古老的120歐姆標準。

最好的耳機是為最好的音源設計的：

如果你快速查看最受好評的高端耳機放大器和數模轉換器，它們幾乎都具有非常低的輸出阻抗。例如，來自Grace Designs、Benchmark Media、HeadAmp、HeadRoom、Violectric等產品。理所當然，大多數高端耳機都是為與類似產品配合而設計的，以發揮其最佳性能。一些最受好評的耳機具有相對較低的阻抗，包括Denon、AKG、Etymotic、Ultimate Ears、Westone、HiFiMAN和Audeze的幾個型號。據我所知，所有這些產品都是為與低（理想情況下接近零）輸出阻抗的音源一起使用而設計的。我還曾聽一位Sennheiser代表告訴我，他們設計了他們的發燒友和便攜式耳機來搭配零歐姆的音源。

頻率響應問題：

如果輸出阻抗超過耳機阻抗的1/8，將導致頻率響應變化。尤其是對於某些耳機，特別是平衡電擊或多單元設計的耳機，這種變化可能相當極端。以下是43歐姆輸出阻抗對Ultimate Ears SuperFi 5耳機頻率響應的影響，總共有12 dB的明顯變化，並且非常明顯可聽到：

10歐姆的輸出阻抗：有些人可能會看到上面的示例，認為使用43歐姆的源是極端的。但許多設備的輸出阻抗約為10歐姆。這裡是使用10歐姆源的同一款耳機-仍然有非常明顯的6 dB變化。這種曲線會產生較弱的低音，"刺眼的"中音強調，沉悶的高音以及由於10 kHz處的尖銳"缺口"而產生奇怪的相位特性，可能會改變聽覺感知：

全尺寸的SENNHEISER：這是相同的10歐姆輸出阻抗的全尺寸、高阻抗的Sennheiser HD590耳機情況。現在，在20赫茲以上，變化僅略高於1 dB。儘管1 dB不算太多，但它正好位於大多數人不希望出現任何形式的強調的低音區域：

解釋阻尼：

無論是揚聲器還是耳機中的動圈驅動器都會隨著音樂的節奏來回移動，這是它們創造聲音的方式，它們都有運動質量。物理學的定律表明，處於運動狀態的物體傾向於保持運動。阻尼用於幫助防止不需要的運動。不去深入細節，如果揚聲器阻尼不足，則在應該停止運動之後它將繼續運動。如果它阻尼過度（很少見），那麼它的能力來準確跟隨信號就會受到損害-想象一下揚聲器試圖在楓糖漿中運行。阻尼只能以機械和電氣兩種方式來實現。

BOUNCING CARS：

機械阻尼很像汽車的減震器。它們增加了阻力，這樣當你撞到障礙物時，汽車不會在障礙物之後長時間上下彈跳。但它們也增加了粗糙度，因為它們減少了懸掛系統的準確跟隨道路的能力。它們是一種妥協-軟彈簧提供較柔軟但更彈跳的駕駛，而堅硬的減震器更好地控制了彈跳，但讓駕駛更加艱難。機械阻尼總是一種妥協。

電氣阻尼更好：

控制耳機驅動器不需要的運動有更好的方法，稱為電氣阻尼。驅動器的線圈和磁鐵與放大器協同工作，以控制驅動器的運動。這種類型的阻尼副作用較少，允許耳機設計師創建具有更低失真和更好音質的耳機。就像汽車懸掛可以更好地跟隨道路一樣，優化阻尼的耳機驅動器可以更好地跟隨音頻信號。但是，這是關鍵的部分，只有在放大器的輸出阻抗遠低於耳機的阻抗時，電氣阻尼才有效。如果你將16歐姆耳機插入具有50歐姆輸出阻抗的放大器，幾乎不會有電氣阻尼。這意味著當驅動器應該停止運動時，它可能不會停止。這種耳機更像是帶有磨損減震器的汽車。然而，如果遵循1/8規則，將會有足夠的電氣阻尼。

揚聲器類比：

在我之前的時代，揚聲器主要是由使用真空管而不是晶體管的放大器驅動的。真空管是高阻抗設備，以高電壓工作，所以幾乎所有的真空管放大器都使用輸出變壓器。不深入所有細節，真空管放大器的輸出阻抗差異很大，通常是顯著的，違反了1/8規則。揚聲器製造商無法依賴放大器具有足夠低的阻抗來提供足夠的電氣阻尼。這妥協了揚聲器設計，就像今天的耳機設計一樣，如果耳機設計師無法依賴低阻抗源來進行正確的電氣阻尼，那就是妥協的。

聲學懸掛：

20世紀70年代，隨著固態放大器變得流行，情況發生了變化。幾乎所有的固態放大器都輕鬆通過了1/8規則。事實上，大多數通過了1/50規則-它們的輸出阻抗通常低於0.16歐姆-稱為50的阻尼因子。突然之間，揚聲器製造商可以自由設計更好的揚聲器，這些揚聲器可以充分利用這些更低的輸出阻抗。而且第一批真正好的封閉式箱體揚聲器，如原始的AR、Large Advent等，應運而生。它們具有比它們的管子驅動的前輩所能從相似的箱子尺寸中實現的更深層次和更好的低音。依靠來自放大器的大量電氣阻尼是"高保真"中的一個重要里程碑。很遺憾，許多耳機源距今已有40多年。

我的來源有多高的輸出阻抗？

一些製造商明確表示他們努力實現低輸出阻抗（比如Benchmark），而其他人則指定了他們產品的實際輸出阻抗（比如Behringer以50歐姆的UCA202）。但大多數製造商，可悲的是，保持輸出阻抗的秘密。一些產品評論，比如這個博客上的評論，包括輸出阻抗的測量值，因為它對於不同耳機的聲音非常重要。

為什麼有那麼多源有較高的輸出阻抗？最常見的原因是：

耳機保護-具有低輸出阻抗的更強大的源可能能夠將太多的功率輸送到低阻抗的耳機中。為了保護這些耳機，一些設計師提高了輸出阻抗。這是一種妥協，試圖讓放大器適應所使用的負載。但這會對許多耳機造成巨大的代價。更好的解決方案是提供兩種增益選項。低增益設置可以在使用低阻抗耳機時降低最大輸出電壓。而且，此外，可以使用主動電流限制，這樣即使使用了錯誤的增益設置，源也會自動限制輸出到較低阻抗耳機的最大輸出。

為了獨特性 - 有些製造商故意提高輸出阻抗，聲稱這會讓他們的音源聽起來更好。有時候“與眾不同”是一種區別其產品聲音與競爭對手的方式。但在這種情況下，您得到的特殊“不同聲音”完全取決於使用的耳機。對於某些耳機來說，這可能是一種改進，而對於其他耳機來說，更有可能是一個巨大的倒退。這種情況往往會傾向於降低聲音的質量。

這很便宜 - 對於許多廉價的耳機源，較高的輸出阻抗是一種應急措施。這是實現穩定性的廉價方法，是一種粗糙的短路保護形式，它可以允許使用一個本來無法直接驅動16甚至32歐姆耳機的劣質運算放大器或輸出設備。通過在輸出上添加一些串聯電阻，所有這些問題都被“修復”，而這只需要花費0.01美元。但這種便宜的“修復”會以耳機的聲音質量為代價。

規則的例外：

據說有一些耳機是專為較高的輸出阻抗而設計的。在音響愛好者和消費者耳機方面，我不知道是否這種情況在今天是否更多是一種神話而非現實，因為我不知道任何具體的例子。但這當然是可能的。如果是這樣，使用這些耳機在低阻抗音源上可能會導致低音效果不足，並且與製造商的意圖不同的頻率響應。這可能解釋了某些耳機與特定音源配合時的“協同作用”聲稱。但這些“協同作用”完全是主觀的 - 一個人的“明亮和細緻”對另一個人來說可能是“刺耳”。唯一確保獲得一致性性能的方法是使用低阻抗音源並遵循1/8規則。

一個廉價的測試：

如果您想知道您目前的音源是否因未知的輸出阻抗而影響音質，可以考慮購買價格為19美元的FiiO E5放大器。它的輸出阻抗接近零歐姆，對於大多數100歐姆以下的耳機來說具有足夠的輸出。如果它明顯改善了音質，那麼您的音源可能有過高的輸出阻抗。

結論：

除非您知道特定的耳機在具有特定較高輸出阻抗時聽起來更好，否則最好始終使用輸出阻抗不超過耳機阻抗的1/8的音源。或者，更簡單地說，輸出阻抗應不超過2歐姆。

技術部分：

阻抗與電阻：

這兩個術語在某種程度上可以互換使用，但在技術上存在一些重要差異。電阻表示為字母“R”，在所有頻率下具有相同的值。電阻抗更加複雜，其值通常隨頻率變化。它表示為字母“Z”。對於本文，它們的度量單位都是歐姆。

輸出阻抗圖表：

下面的圖表顯示了輸出阻抗的影響。上面左側的藍色圓圈代表“完美源”，中間的藍色電阻器（Z形線）代表輸出阻抗。右側的電阻器代表負載阻抗（耳機）。如果輸出阻抗不為零，則連接負載時源產生的電壓將減小。輸出阻抗越高，負載處的電壓降低就越大。這個降低可以由以下公式表示：負載電壓=源電壓*(Z負載/ (Z負載+ Z輸出) )。更多信息請參見Wikipedia的電壓分壓。

電壓和電流：

要理解阻抗和本文，至少需要對電壓和電流有一些了解。電壓類似於水壓（即PSI），而電流類似於水的體積（即每分鐘的加侖數）。如果你讓水從花園水管的末端流出，不連接任何東西，你會得到很大的流量（電流），可以快速填滿一個桶子，但水管末端的壓力接近零。如果在水管上放一個小噴嘴，壓力（電壓）會大大提高，但水的體積會減少（填滿相同的桶子需要更長的時間）。這兩者通常是相互反比的。高壓通常意味著低流量，反之亦然。電壓和電流之間的關係（以及為本文的目的，阻抗）由歐姆定律來定義。將R替換為Z。

1/8規則來自哪裡？

大多數人能聽到的最小可聽差異約為1 dB。要使輸出阻抗產生-1 dB的變化，您需要計算antilog(-1/20) = 0.89。使用上面的分壓公式，當輸出阻抗是負載阻抗的1/8時，您會得到0.89或1 dB的降低。耳機的阻抗在音頻帶內可以變化10倍或更多。SuperFi 5的額定阻抗為21歐姆，但在10歐姆到90歐姆之間變化。因此，1/8規則給出了最大輸出阻抗為2.6歐姆。假設一個1伏特的源，我們得到：

21歐姆標稱阻抗的耳機電壓=21（21+2.6）=0.89伏特
10歐姆最小阻抗的耳機電壓=10（10+2.6）=0.79伏特
90歐姆最大阻抗的耳機電壓=90（90+2.6）=0.97伏特
頻率響應變化=20*LOG(.97/.89)=0.75 dB（低於1 dB的目標）

測量輸出阻抗：

如上圖所示，輸出阻抗形成電壓分壓器。通過在沒有負載的情況下測量輸出電壓，並在已知負載下測量，您可以計算輸出阻抗。這個在線計算器使其變得容易。無負載電壓是“輸入電壓”，R2是已知的負載電阻（不要使用耳機），輸出電壓是加載電壓。單擊計算，R1是計算的輸出阻抗。可以使用60赫兹正弦波文件（Audacity可以創建這樣的文件）、數字萬用表（DMM）和15-33歐姆電阻器來執行此操作。大多數DMM僅在60赫兹左右精確。播放60赫兹的正弦波文件，並調整音量為約0.5伏特。然後連接電阻器，記下新的電壓。例如，無負載時為0.5伏特，33歐姆負載時為0.38伏特，則輸出阻抗約為10歐姆。計算公式如下：Zout=(Rload*(Vnoload-Vload))/Vload

反應性負載：

很少有耳機代表在音頻帶內恆定的純電阻性負載。相反，它們是反應性負載，代表了複雜的阻抗。由於耳機中的電容和電感元件，它們的阻抗隨頻率變化。例如，這是Super Fi 5的阻抗（黃色）和相位（白色）。在約200赫茲以下，阻抗只有21歐姆。在200赫茲以上，它升至接近1200赫茲的90歐姆，然后在10千赫茲以下降至10歐姆以下：

全尺寸耳機：有些人對像Super Fi 5這樣的IEM不感興趣，這裡是流行的Sennheiser HD590的阻抗和相位。它仍然從約95歐姆變化到接近200歐姆，變化範圍為2倍：

數學：

之前的圖表顯示了從43歐姆源驅動的SuperFi 5的頻響變化約為12 dB。如果我們將它們的額定阻抗為21歐姆作為參考水平，並假設1伏特源，那麼耳機的電壓將如下所示：

參考水平：21 / (43 + 21) = 0.33 V，我們將其稱為0 dB。
在它們的最小阻抗約為9歐姆時，它是9 / (9 + 43) = 0.17 V = -5.6 dB。
在它們的最大阻抗約為90歐姆時，它是90 / (90 + 43) = 0.68 V = +6.2 dB。
總變化= 6.2 + 5.6 = 11.8 dB

阻尼級別：

耳機驅動器的阻尼，如前所述，要麼完全是機械阻尼（Qms），要麼是電機（Qes）和機械阻尼的組合。總阻尼稱為Qts。這些參數在低頻時如何互動可以通過Thiele Small模型來解釋。阻尼可以歸納為三類：

臨界阻尼（Qts = 0.7）- 這被廣泛認為是理想的，因為它提供了最深的低音擴展，而不會有頻率響應變化或過多的“響”（不受控制的驅動器運動）。臨界阻尼的低音通常被描述為“緊湊”，“迅速”和“乾淨”。Q為0.7給出了大多數人認為的理想瞬態響應。
過度阻尼（Qts <0.7）- 這保持了對驅動器的更緊密控制，但代價是更少的深低音（響應更早地下降）。因此，製造商很少有意過度阻尼其產品。
不足阻尼（Qts >0.7）- 這會以較高的低音頻率為代價，交換一個高低音頻率的峰值。驅動器也不再被很好地控制，並且表現出過多的“響”（即在音頻信號停止時停止得不夠快）。不足阻尼會產生頻率響應變化，較淺的低音，劣質的瞬態響應和較高的低音峰值。不足阻尼是一種以低音質為代價提供更多低音的偽低音的廉價方式。它經常用於便宜的耳機和揚聲器以提供“假低音”。不足阻尼的耳機/揚聲器經常被描述為具有“低沉”或“懈怠”的低音。如果您的耳機是為了電性阻尼而設計的，而您使用的源阻抗大於其阻抗的1/8，則低音可能會不足阻尼。

阻尼的類型：有三種方法可以阻尼驅動器並控制共振：

電性阻尼 - 這被稱為Qes，類似於混合動力或電動汽車上的再生制動。當您踩下制動器時，電動機通過變成發電機並將能量送回電池來減慢汽車。耳機（或揚聲器）中的驅動器可以做同樣的事情。但是隨著放大器的輸出阻抗升高，制動效應大大減弱，因此有了1/8規則。
機械阻尼 - 這被稱為Qms，如前所述，它更像是汽車上的減震器。隨著對驅動器添加機械阻尼，它會抵抗音樂信號的驅動，並變得更加非線性。這會增加失真並降低音質。
殼體阻尼 - 外殼可以提供阻尼，但這通常需要密封的外殼，帶有調諧口的外殼或

耳杯加載：

對於形成相對一致密封的耳機，比如完全圍繞耳朵的耳罩，耳墊緊貼頭部，設計師可以在某種程度上依賴耳杯形成的“外殼”來提供一些阻尼。但是頭部、耳朵的形狀、頭髮的類型、耳機的位置、眼鏡和其他因素使它高度變化。並且對於所有的耳朵上（on the ear）耳機來說，這個選擇根本不可用。這裡有兩張Sennheiser HD650阻抗的圖表。請注意，約530歐姆的開放式空氣低音共振峰，但在模擬頭部上下降至約500歐姆。這是由耳杯外殼和耳墊提供的阻尼造成的。