Про измерения наушников и АЧХ в частности

Это продолжение статьи про целевые кривые.

Начнем с ответа на простой (на самом деле не простой) вопрос: какие вообще характеристики звука наушников можно измерить? Ну или «принято измерять». Я разделил их на две категории: основные – наиболее значимые и часто приводимые, и дополнительные – менее значимые, но тоже важные.

Основные измерения

• Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ, frequency response) — это зависимость уровня звукового давления от частоты воспроизводимого гармонического сигнала на выходе наушников. АЧХ отражает громкость воспроизводимого звука на различных частотах и в мире аудиофилии называется «тональным балансом». АЧХ — наиболее значимая и часто рассматриваемая характеристика звука наушников.
• Кумулятивный спектр (ватерфол, waterfall) — отражает резонансы и реверберации на различных частотах после прекращения воспроизведения сигнала наушниками. Каждый резонанс добавляет акцент своей частоте. Если усилитель также вносит искажения, эти искажения будут усилены на частотах резонансов. Резонансы частично можно рассматривать как качественный показатель: «меньше = лучше». Но более корректно рассматривать как показатель универсальности: «меньше резонансов = меньше заметности проблем усилителя».
• Импульсная характеристика (impulse responce) — реакция на единичный импульс минимально возможной продолжительности. Форма волны импульсной характеристики в первую очередь зависит от АЧХ, затухающих резонансов и реверберации самих наушников, а также камеры стенда. Полная длина импульса составляет около 5 секунд, в то время как визуально импульс показывается продолжительностью в 2-4 миллисекунды.

Дополнительные измерения

• АЧХ + кривые равной громкости — график показывает изменение восприятия АЧХ наушников при прослушивании музыки с разной громкостью в соответствии с кривыми равной громкости (кривыми Флетчера-Мэнсона). Насколько мне известно, приводится только в измерениях сайта Reference Audio Analyzer.
  
  Пример:

• Реакция на ступенчатый сигнал (переходная характеристика, transient response) — начало фронта меандра с нулевой частотой. Строится по производной импульсной характеристики. По переходной характеристике обычно определяют верную полярность включения излучателей в АС. В аудиофильской среде по меандру принято определять «скорость» наушников, однако данная характеристика применима только к усилителям, обладающим ровной АЧХ с отсутствием ревербераций и совершенно не применима к наушникам.
• Пассивная звуковая сцена (passive soundstage) – интегральный параметр, позволяющий оценить качество построения виртуальной звуковой сцены наушниками. Методика измерений является собственной разработкой лаборатории сайта Rtings.com, результаты измерений приводятся только в их отчетах.
  
  Как это работает, в двух словах: вводится понятие PRTF (Pinna-related transfer function, по аналогии с HRTF). Значение PRTF для наушников вычисляется как разница между измерениями наушников на голове-стенде с искусственным ухом и без него. То есть фактически PRTF наушников позволяет оценить степень влияния ушной раковины на звук для какой-либо модели наушников. Далее PRTF для наушников сравнивается с идеальной PRFT. Идеальная PRTF получена путем измерения отклика микрофонов внутри головы-стенда на свайп-тон, который воспроизводится при помощи громкоговорителя (колонки), установленного перед стендом под углом 30 градусов, на уровне ушей. Далее вычисляется:Стандартное отклонение: среднеквадратическое отклонение PRTF для промежутка 2-7 кГц.
  Размер виртуальной сцены: среднее значение амплитуды PRTF для промежутка 2-7 кГц.
  Глубина виртуальной сцены: [размер виртуальной сцены] – [минимальное значение амплитуды PRTF на отрезке 8-12 кГц].
  
  Вот эти 3 параметра (+ еще 2 менее важных) и формируют общую оценку пассивной звуковой сцены наушников. С описанием методики проведения замеров и расчетов можно ознакомиться тут. С результатами измерений наушников, отсортированными по данному параметру, можно ознакомиться тут. Выглядит убедительно.
  

• Полный импеданс (full impedance) — график полного сопротивления, показывает сопротивление наушников на разных частотах.
• Электрическая фаза (electric phase) — электрическая фаза определяет «легкость» наушников в качестве нагрузки для усилителя.

Существует еще целый ряд измерений, которых я не стал тут касаться за их малозначимостью, потерей актуальности или редкостью.

Вопрос «что и как вообще можно померить в наушниках» остается открытым по сей день. Ровно так же не решен и другой, на самом деле основной вопрос: какие из характеристик являются значимыми в оценке качества звука. Это тема для отдельной статьи, написать которую у меня просто не хватит компетенции, в чем я сразу признаюсь.

Далее речь пойдет только об анализе измерений АЧХ, приведенных на различных интернет-сайтах. В общем, как правильно смотреть на графики АЧХ.

Масштаб, шкала, сглаживание и нормализация

Ниже приведены три картинки с одними и теми же измерениями наушников:

Почему картинки разные?

Первое, на что нужно обращать внимание, когда вы смотрите на график АЧХ – это масштаб. На первой картинке по оси ординат выбран отрезок от 10 до 100 дБ. Чем больше отрезок – тем более плоским будет выглядеть график.

Второе – измерительная шкала. Для отображения графика АЧХ принято использовать логарифмическую шкалу, однако зачастую графики приводятся и в линейном виде. На второй картинке тот же график АЧШ приведен именно в линейном виде, а по оси ординат выбран отрезок 30-75 Гц.

Третье – сглаживание. В «чистом» виде график АЧХ обычно малоинформативен, так как имеет огромное количество мелких девиаций, которые не отражают характер звука, но мешают общей визуальной оценке графика. Поэтому обычно применяется один из видов сглаживания: 1/n-октавный (от 1/3 – наименее подробного, до 1/48 – наиболее подробного) или психоакустический. Обычно вид сглаживания приводится в описании графика, либо отмечается на самой форме. Стандартным считается 1/12-октавное. На третьей картинке применено 1/3-октавное сглаживание, что указано внизу в легенде.

Четвертое – нормализация. Нормализовать что-то можно только относительно чего-то. Когда речь идет о нормализованном графике АЧХ, то всегда подразумевается наличие некой целевой кривой, относительно которой нормализуется исходный график АЧХ наушников.

Нормализованный график показывает отклонения измеренной АЧХ наушников от целевой кривой.

Исходные измерения (синим), целевая кривая (серым):

Измерения показаны в нормализованном виде относительно целевой кривой:

Нормализованный вид АЧХ используется часто, и это совершенно понятно: так гораздо проще оценить степень отклонения АЧХ наушников от целевой кривой в разных диапазонах.

Подытоживая: при взгляде на график АЧХ необходимо обратить внимание на:

1. Масштаб.
2. Шкалу.
3. Сглаживание.
4. Нормализацию.

Если один из этих параметров не указан, если его не удается определить – график бесполезен.

Нужно ли знать про график АЧХ что-то еще? Да, нужно знать, на каком стенде производились измерения.

Сравним ненормализованные измерения одних и тех же наушников HiFiMan Ananda, полученные из различных источников (rtings, Crinacle, RAA, DIY-Audio-Heaven), в одном масштабе:

Какой результат правильный? Вопрос бессмысленный, потому что стенды разные, а с реальным звуковосприятием измерения мы сравнить не можем никак. Другое дело, если бы мы понимали, как для того или иного стенда будут выглядеть стандартные таргет-кривые — тогда можно было бы смотреть на нормализованные графики.

И вот тут мы перейдем к наиболее болезненной части. Как вы помните, целевых кривых было много разных, условно «выиграла» хармановская кривая, которая была получена на стенде GRAS 43. А если измерения проводятся на другом стенде, можно ли приложить к ним хармановскую кривую? Нет, нельзя, потому что там может использоваться силиконовое ухо с другой геометрией (или не использоваться вообще), слуховой канал может симулировать естественные искривления, а может быть просто прямым, и т.д.

Поговорим о том, кто какими измерительными стендами пользуется.

Замерщики и стенды

• Crinacle, Oratory1990 — два самых известных независимых обзорщика/замерщика. Оба используют тот же GRAS 43 (отвечает стандарту 60318-4), к их измерениям можно в чистом виде прикладывать все известные целевые кривые – диффузного поля, свободного поля, хармановскую и т.д.
• RTings.com – используют некий уникальный стенд Head Acoustics HMS. В качестве целевой кривой они используют гибрид хармановской кривой для низких и средних частот и кривой диффузного поля для высоких частот (картинка). «This is because the Harman target response was derived using a dummy head different from the one used by us, and therefore its treble range, which includes the ear resonances, doesn’t match the ear resonances of our dummy head.» Никакому индустриальному стандарту стенд не соответствует.
• Reference Audio Analyzer – для измерения полноразмерных наушников используют некий уникальный стенд HDM-X, приближенный к требованиям стандарта IEC 60268-7.
• 3dnews.ru – в своих редких обзорах наушников используют стенд Brüel & Kjær 4153 — Artificial Ear/Ear Simulator (IEC 60318-1).
• SoundStage! – используют GRAS43.
• soundnews.net – используют miniDSP Ears. Данный китайский стенд не отвечает никаким стандартам и поставляется в комплекте с некой целевой кривой HEQ – «headphone compensation for flat EQ target», которая отдаленно похожа на хармановскую.

Подытоживая: две основные мысли, которые я хочу донести.

Первая: без указания стенда (и всех четырём параметров, о которых я говорил выше) график АЧХ наушников не говорит вообще ни о чем.

Вторая: графики АЧХ наушников со стендов разных типов нельзя сравнивать между собой.

Об этом чуть подробнее в следующем разделе.

Сравнение измерений со стендов разных типов

Можно ли как-то сопоставить измерения со стендов разных типов? Да, но очень примерно. Приведу свой пример. Я пользуюсь модифицированным стендом miniDSP EARS. Вот так выглядят на нем измерения Focal Utopia без нормализации и сглаживания:

А вот так выглядят измерения Focal Utopia у Crinacle, серым – целевая кривая IEF:

Как видно, до 2 кГц графики более-менее схожи, а дальше начинается совсем разное. Потому что это разные стенды. Однако, напомню, что интересует нас не сам график, а отклонение от целевой кривой. И у нас есть одна и та же модель наушников. Значит, целевую кривую можно перенести со стенда на стенд через измерения этой модели. Результат – IEF-кривая в «координатах» моего стенда, серым:

Теперь – нормализованные измерения, мои, c miniDSP EARS, и c GRAS 43:

Похоже? Ну, более-менее, вроде как бы.

Естественно, идентично не будет никогда, потому что:

1. Экземпляры наушников различаются. Даже если стоят эти наушники дикие тыщи. Например, у Crinacle приведены измерения трёх разных пар Focal Utopia, которые имеют разные АЧХ. А у меня, помимо прочего, нет доступа к конкретно тем экземплярам, которые измерял Crinacle.
2. Измерения сильно зависят от посадки наушников на стенд. И ооочень сильно зависят, если драйверы в чашках расположены под углом (см. Focal Utopia, Sennheiser HD800 и т.д.) – тогда даже при микросдвиге АЧХ в области верхних частот может изменяться радикально, на +/-6-8 дБ.
3. Измерения сильно зависят от прижима.

А в процессе переноса необходимо выбирать пары измерений со своего и чужого стенда так, чтобы, грубо говоря, совпадали косяки. Выбирать несколько пар, смотреть что получается, выкидывать неверные варианты, проверять полученную таргет-кривую на других наушниках, уточнять результаты, повторять всё заново. У меня на это ушло 3 месяца времени и 28 пар разных наушников. Для базового переноса таргет-кривой были выбраны Audeze LCD-4X, Sennheiser HD800S, Denon AH-D9200, Focal Utopia, Meze Empyrean, Fostex TH-900 Mk2 и еще ряд очень дорогих моделей – по идее, разница между экземплярами у них должна быть меньше, чем у дешевых. Результат я показал выше, дальше уточнять его, кажется, бессмысленно, хотя он и далеко не идеальный.

Также замечу, что вся эта теория переноса работает только в том случае, если стенды вносят линейные искажения. Во что я хочу верить, но не могу доказать никак.

Подытоживая: измерения с разных стендов можно сравнивать, если есть какой-то способ «пересчитать» их. В чистом виде, или же опосредованно, через перенос целевой кривой. При этом всегда надо помнить, что это очень приблизительный результат.

Сравнение измерений со стендов одного типа

Исторически стандартом измерений наушников стал стенд GRAS 43, самый дорогой (около $10000 в сборе), но дающий наиболее стабильный результат. Можно ли сравнивать измерения с разных стендов, например, с разных GRAS 43?

Тут я просто покажу вот эту картинку – измерения Focal Clear на стендах GRAS 43 (источник):

То есть сравнивать-то можно, характер кривой получается примерно одинаковый, но про совпадение говорить не приходится, нет. Это связано, опять же, с девиациями конкретных экземпляров наушников, разным прижимом и т.д. То есть с разной методикой измерений и физически отличающимися наушниками.

Выводы

Когда вы смотрите на график АЧХ наушников, сразу ищите информацию про:

1. Стенд.
2. Нормализацию.

Обратите внимание на:

1. Масштаб.
2. Сглаживание.
3. Шкалу измерений.

Если вы не находите информацию хотя бы по одному из этих пунктов, этим измерениям не стоит доверять.

Если вы хотите сравнить звучание двух пар наушников, лучше использовать для этого один источник, одного замерщика. Сравнивать измерения из разных источников категорически не стоит. Измерения в рамках даже самого кривого DIY-стенда могут быть кривыми в абсолютных значениях, но вот для сравнения один наушников с другими в рамках одного стенда их можно использовать.

Даже будучи выполненными на стандартизированном стенде типа GRAS 43, измерения у разных замерщиков могут запросто различаться.

Измерение даже одного параметра наушников – АЧХ — дело непростое, как вы могли убедиться. Пока мы научились измерять вот так: что-то и как-то. Кривовато, косовато, но других способов пока не придумано. Следует ли немедленно перестать доверять измерениям и полагаться только на слух? Нет, следует, как и всегда, подходить ко всему осознанно и каждый раз задавать себе простые вопросы: «Что это за график?», «Как его правильно понять?», «Какие выводы можно сделать?».

P.S. Если у вас сложилось ощущение, что я отношусь к тем людям, которые уже «всё поняли» — нет, это категорически не так. Я просто попытался собрать информацию и изложить её в доступной форме. Если вам есть что сказать по существу дела, если вы увидели ошибку, если мы можете дополнить текст – пожалуйста, напишите об этом, и я буду рад сделать материал полнее и точнее.

Известные базы измерений

1. In-Ear Fidelity (Crincale). Самая большая коллекция измерений для внутриканальных и полноразмерных наушников.
2. Oratory1990.Очень неплохая база измерений полноразмерных и внутриканальных наушников вперемешку. По мнению некоторыхизмерения Oratory1990 имеют более высокую точность по сравнению с измерениями Crinacle. Я судить не берусь. Отдельный плюс в том, что Oratory указывает необходимые параметры эквализации (для разных целевых кривых) для всех измеренных им наушников.
3. Rtings – множество обзоров и измерений наушников, включающих оценку виртуальной сцены (см. выше), пассивного и активного шумоподавления для соответствующих моделей.
4. Reference Audio Analyzer – главная русскоязычная база с измерениями наушников, и не только наушников. Приведено множество параметров, отсутствующих в других базах. Стенд – HDM-X. Также приведена неплохая базовая теория.
5. SoundStage! – не так много, но есть довольно редкие модели.
6. HeadphoneTestLab – хорошая база, подробные измерения, больше всего – для полноразмерных наушников. В качестве стенда используют GRAS.
7. ClarityFidelity – в основном внутриканальные модели. В качестве стенда нечто близкое к IEC 60318-4. Сайт не обновляется с июля 2020 г.
8. The Ear-Fi Blog – много внутриканальных и TWS-моделей. Неплохо переводится Google-переводчиком.
9. OratoryGrapher – по сути, графер для измерений Oratory1990. Стенд – GRAS.
10. MiniDSP EARS Grapher – графер измерений различных наушников на стенде Mini DSP EARS. Открытый проект, можно загружать свои измерения, отчего качество представленного материала остается под вопросом.
11. Audio Discourse – чуть-чуть полноразмерных, и куча внутриканальных наушников. Особо примечателен тем, что для внутриканальных моделей позволяет включить отображение целевых кривых, использующихся на rtings.com, SonarWorks, а также почившем InnerFidelity. Стенд – GRAS.

Полезные ссылки и источники

1. Познавательные рассуждения на тему измерительных стендов и получаемых результатов.
2. Исходник онлайн-графера, которым пользуется Crinacle, Audio Discourse и многие другие. Мало ли кому пригодится.
3. The Skinny on Headphone Frequency Response Graphs – отличная статья, посвященная графикам измерений наушников. Остальной цикл не менее познавателен.
4. Сравнение измерений наушников Crinacle, Oratory, RAA, headphones.com и других.
5. Отличный анализ измерительных стендов от Crinacle.
6. Крутая база измерений и целевых кривых. Можно скачать и изучить лично, в любом подобающем приложении. Jaakko Pasanen, создатель AutoEq.
7. Finding Flat: How to Interpret Headphone Measurements – лучшая лекция Тиля по теме.
8. Протокол (регламент) измерения наушников, толковый. Хотите мерить сами и хорошо – обязательно прочитайте.
9. Бесценный видос про проблемы измерений наушников от Rtings.com.
10. Пользователи сайта SuperbestAudiofriends.org пытаются получить более точную таргет-кривую для miniDSP EARS.