Про измерения наушников. Часть последняя

Это четвертая часть материала про наушники, кривые, стенды, измерения и исследования. Ссылки на предыдущие:

1. Про звук в наушниках и хармановскую целевую кривую
2. Про измерения наушников и АЧХ в частности
3. Про целевые кривые, стенды, стандарты, нейтральность и субъективность восприятия звука наушников

В короткой вступительной части попрошу о следующем:

Мне много пишут, но пишут почему-то на почту, в социальные сети. Но никак не в комментарии к постам. Лично мне вообще все равно, где отвечать на вопросы. Но есть очень другой аспект: оценка потенциальной перспективности моего бложика производителями аппаратуры. Например, клянчу я на обзор наушники у производителя Х, он смотрит на посещаемость бложика – посещаемость его устраивает. Потом смотрит на количество комментариев, и вот оно его ни фига не устраивает, и производитель не дает мне наушники на обзор. Поэтому если вам интересно то, о чем я пишу, пожалуйста, давайте беседовать в комментариях. Чем больше комментариев — тем больше вероятность того, что мне выдадут что-то интересное на обзор, я его напишу, а вы его прочтёте.

Напомню, что блог boizoff.com является полностью некоммерческим, он поддерживается на лично мои средства и существует только потому, что тема аудио интересна только мне и вам.

1. Стенд. Оборудование

1.1. Финальный состав оборудования для замеров наушников

В предыдущей части статьи я обозначил следующий набор, который потребуется для замеров наушников:

1. два резиновых уха, левое и правое;
2. металлическая пластина для установки резиновых ушей и их соединения с симулятором слухового канала;
3. сам симулятор слухового канала;
4. подставка-переходник, которая физически упрощает размещение наушников на стенде, а также предоставляет возможность подключения стенда к звуковой карте;
5. кабель BNC→3.5 jack;
6. звуковая карта с линейным/микрофонным входом.
7. для измерения внутриканальных наушников – небольшой переходничок для установки внутриканальных наушников на стенд. Можно пользоваться и резиновыми ушами, но это не сильно удобно.

Все это добро я подробно описал в п. 8.2. предыдущей статьи, а купил тут, хотя магазинов с аналогичными товарами на Aliexpress существует несколько. Насколько качество стендов от других производителей соответствует тому, что продает Sounds Good Store, мне не известно.

Понятно, что все наушники к себе домой приволочь и померить невозможно, а, значит, придется ездить по магазинам и просто отдельным людям с вышеозначенным комплектом. А тогда придется добавить еще две нужные вещи: источник для наушников и некий кейс для удобной перевозки оборудования.

1.1.1. Выбор источника

К источнику мной были предъявлены следующие требования:

1. физическая компактность;
2. наличие микрофонного входа, что позволит отказаться от отдельной «комплектной» саундкарты;
3. высокие показатели основных параметров, то есть хорошие измерения;
4. высокая выходная мощность на наушниковом выходе;
5. низкое собственное сопротивление на наушниковом выходе;
6. питание от USB-порта, без отдельного адаптера;
7. желательно – фантомное питание.

Я остановил выбор на RODE AI-1.

Устройство соответствует всем 7 пунктам требований, с измерениями можно ознакомиться тут. Касательно мощности на наушниковом выходе: 390 мВт при сопротивлении в 300 Ом при THD<1%, всевозможные HD800S, Sundara и LCD-4 «раскачиваются» до уровня «невероятно громко» уже на 1/3 поворота ручки громкости. Естественно, выходная мощность зависит от того, что может дать питание USB-порта. Поэтому при использовании AI-1 c ноутбуком рекомендуется подключить последний к зарядному устройству чтобы питание USB-портов не ограничивалось механизмами энергосбережения. AI-1 работает под Windows, Mac OS, Linux, драйверов не требует, может подключаться к смартфонам и планшетам.

Очень крутая универсальная штука, короче говоря.

С одним минусом: будучи предназначенной для студийного мониторинга, AI-1 явно не рассчитана на работу со сверхнизкоомными наушниками. То есть, например, моя 12-омная Campfire Audio Andromeda шумит прям явственно. Поэтому правильно замерить THD при помощи AI-1 не получится. Впрочем, чтобы действительно корректно замерить THD, нужно совсем другое оборудование за другие деньги.

Естественно, микрофон стенда я решил подключить через переходник 6.3 jack → 3.5 jack в комбинированный разъём входа AI-1.

Но микрофон не заработал.

1.1.2. Неудача с микрофоном

Оказалось, что микрофон стенда требует питания около 4 В и через простой переходник 6.3 → 3.5 с RODE AI-1 не работает. Попытки использовать «готовые» переходники с внутренними трансформаторами типа RODE VXLR тоже ни к чему не привели.

После чего знакомым инженером (Андрей, если это читаешь – еще раз низкий поклон) был кустарно изготовлен следующий хитроумный девайс:

Как видно, это электрическая часть от неплохого измерительного микрофона DBX с собственным трансформатором, к которому приделан переходник на разъём 3.5-jack. Штука заработала, но в тестовых измерениях дала странный результат по краям частотного диапазона (синяя линия – микрофон через «штатную» саундкарту, красная – через AI-1 + переходник):

Поэтому было решено зайти с другого конца: может быть, проблема в переходнике? Для поиска ответа были закуплены всевозможные переходники:

И я оказался прав – проблема действительно заключалась в конкретном переходнике, который вообще-то до этого никогда меня не подводил. Просто некоторые переходники работают с микрофоном, а некоторые почему-то нет. И еще они имеют сильно разное сопротивление, но сейчас это не важно.

Проблема, однако, не была решена полностью. Вот сравнительные измерения с одного и того же микрофона, подключенного через переходник к AI-1, и напрямую к китайской саундкарте:

Откуда берется такая разница в АЧХ и странные искажениях после 4 кГц – я не знаю, тут моих технических познаний банально не хватает. Если у вас есть догадки – пожалуйста, поделитесь.

Главное, что в результате всех этих экспериментов я решил не выпендриваться и просто использовать RODE AI-1 в качестве источника, а микрофон подключать по старинке к китайской саундкарте.

А низкоомные наушники… тоже подключать к китайской саундкарте, её для этого вполне хватает.

1.1.3. Кейс

Чтобы носить все это оборудование (+ ноутбук) с собой было комфортно, мне захотелось собрать это все в некую сумку или кейс. Я выбрал вот такой вариант: пластиковый кейс размером 80*240*130 мм с поролоновыми «потрохами». Конфигурацию внутренностей можно, скажем так, настроить один раз, аккуратно выдрав ненужные поролоновые столбики.

Итого: вот таким образом выглядит сейчас мое оборудование для замеров наушников, убранное в кейс для переноски. + проставка для обеспечения правильного прижима, о чем ниже. В метро пока не останавливали, но шутки я уже подготовил.

2. Проблематика измерений АЧХ охватывающих наушников

Несколько слов о том, почему измерения АЧХ одной и той же модели наушников на вроде бы стандартных стендах могут давать обескураживающе разные результаты.

2.1. Разница между экземплярами

Пожалуй, из всех факторов, оказывающих влияние на измерения, именно разброс по АЧХ между экземплярами наушников одной и той же модели является наиболее значимым. Ниже приведены графики измерений двух разных наушников одной модели, которые измерялись на одном и том же стенде, с одними и теми же амбушюрами, с одним и тем же прижимом, одними и теми же моими руками, в конце концов. Позиционирование на стенде, а также все сдвиги были совершенно контролируемыми и идентичными, что обеспечивалось использованием закрепленной на штативе лазерной указкой и фотокамерой.

Посмотрев на левую часть графика, идиоты тут же воскликнут «ПРИЖИМ!!!11», но нет, во-первых, это не «ПРИЖИМ!!!11», а, во-вторых, посмотрите на 1-3 кГц, 6 кГц, 7,5 кГц и т.д.

Это наушники за 27 тыс. рублей, к слову.

Я замазал название модели, чтобы в комментариях не забили фонтаны говна, но суть-то не в конкретной модели – это общая тенденция. Считается, что у одного производителя контроль качества выше, у другого ниже, но вообще-то никто особо и не проверял. И совершенно точно корреляции со стоимостью в этом аспекте нет. Говорю об этом уверенно, как человек, померивший, например, несколько экземпляров одной дорогой (более 200 тыс. р.) модели одного очень известного на весь мир производителя планарных наушников.

2.2. Прижим

Второй по значимости проблемой является определение верного прижима наушников, а также изношенность амбушюров. Надо понимать следующее:

1. Если говорить о «средней голове», то средняя интерауральная база – среднее расстояние между ушами – составляет примерно 21 см. При этом для записи стереозвука по системе ORTF это расстояние равно 17 см.  Есть ли расовые особенности? Зависимость от возраста? Пола? Я не смог найти сведений, помогите мне, пожалуйста.
2. Совершенно непонятно, какая сила прижима воспринимается «средним» пользователем как комфортная. То есть даже если считать все головы одинаковыми, нет никакого понимая, кто с какой силой затягивает оголовье наушников, статистические данные отсутствуют. Как нет понимания и того, на какой прижим рассчитывал производитель.
3. Часто используемая конфигурация стенда, вот как у меня, подразумевает, что стенд ставится на край стола, один наушник надевается на резиновое ухо, а второй свешивается под стол. То есть прижим организуется просто за счет веса оголовья и второго наушника. Насколько он соответствует расстоянию в 21 или 17 см – загадка с несложной разгадкой. Более сообразительные граждане берут специальную распорку, которая оттягивает наушник вниз на нужное расстояние, или же изготавливают жесткую раму шириной 21 или 17 см. Но это не решает проблемы из п.2.
4. Если амбушюр изношен, то в лучшем случае он сплющивается, а в худшем случае у него изменяется воздухопроницаемость. Например, на коже амбушюра появляются трещины, или же куски биодерьмантина просто отваливают от поверхности. В лучшем случае при замере приходится сильнее прижать наушник к стенду, то есть сократить объем передней акустической камеры, что влияет на звук. В худшем — при любом прижиме не получится замерить нормальную отдачу звука в области саббаса и баса.

Но даже если амбушюры новые, не смятые, без дырок, даже небольшая разница в прижиме повлияет на звук. Например, вот так:

Или даже вот так:

2.3. Сдвиг

И не просто сдвиг, а сдвиг с поворотом, который также сильно влияет на измерения АЧХ, обычно в диапазоне высоких частот. Причем если драйвер наушника установлен параллельно плоскости поверхности головы (ну, условно), то влияние не очень большое. А если драйвер развернут на небольшой угол, как в Sennheiser HD800/S, Focal Utopia, Sony 1000xmX и даже Logitech G933/935, то при повороте звук будет менять очень сильно. И тут ситуация даже хуже, чем с усредненной интерауральной базой, потому что науке вообще ничего не известно про средний угол положения наушников на голове слушателя.

На практике это выглядит как-то так:

3. Еще раз про ограничения и точность измерений

3.1. Ограничения стенда

Напомню, что сам по себе стандарт IEC60318-4 и имитатор внутреннего уха, ему соответствующий, ограничены в измерениях следующими параметрами:

1. Диапазон частот: от 100 до 10 кГц
2. Погрешность измерений: от ±0,6 дБ до ±2,2 дБ

3.2. Реальная разница между ушами

Тут надо погрузиться в исследования. Их в данной области знаний не так много, но, скажем, больше сотни, поэтому исследованиям я, вероятно, посвящу отдельный пост. Сейчас обращусь всего к нескольким работам:

3.2.1. "Transfer characteristics of headphones measured on human ears"

(1995 год, ссылка).

Исследование проводилось на 40 субъектах (22 мужчины, 18 женщин) с заведомо нормальным слухом и отсутствием дисфункций среднего уха. Для исследования использовались 13 моделей наушников охватывающего типа. Измерения производились трижды для каждого субъекта и каждой модели наушников в разные дни недели.

Измерения производились на входе в ушной канал при открытом ушном канале.

Не основной, но один из выводов этого исследования:

Перевожу (так, чтобы без контекста было понятно, о чем речь):
«Схожесть измерений PTF (headPhone Transfer Function) для субъектов исследования наблюдается только на промежутке до 2 кГц. На отрезке 2-7 кГц между некоторыми субъектами наблюдаются девиации до 20 дБ. А на частотах более 7 кГц никакой однородности не наблюдается вообще».

PTF – это функция от нескольких переменных, в том числе – от характеристик конкретного слухового канала конкретного субъекта исследований.

То есть, простыми словами, выше написано следующее: до 2 кГц слуховые каналы разных людей влияют на звук более-менее одинаково . На отрезке 2-7 кГц – уже довольно по-разному. А с 7 кГц и выше – очень сильно по-разному.

Вот так выглядят графики измерений 13 наушников для 40 разных человек. То есть на каждой диаграмме приведено 40 графиков измерений одних и тех же наушников, снятых с 40 разных людей:

3.2.2. "Perceptual evaluation of individual headphone compensation in binaural synthesis based on non-individual recordings"

(2012 год, ссылка)

2 женщины, 23 мужчины, 10 измерений HpTF (Headphone Transfer Function) для каждого субъекта на входе в закрытый слуховой канал. Один экземпляр наушников — STAX SR 202.

Измерения производились на входе в ушной канал при закрытом ушном канале.

Один из результатов:

Цитата:
«Below 200 Hz (region I), differences of ±3 dB can primarily be assigned to leakage effects. Up to 2 kHz (region II), differences are smaller than 1 dB. Above 2 kHz and up to 5 kHz (region III), eviations quickly increase to ±3 dB. Above 5 kHz (region IV), the region of narrow pinna notches begins. Deviations in that range are distributed asymmetrically between approx. +7 and −11 dB, respectively.»

Перевод:
«На частотах до 200 Гц расхождения в ±3 могут быть объяснены прежде всего неплотным прилеганием наушников. На промежутке от 200 Гц до 2 кГц флуктуации составляют менее 1 дБ. Далее, от 2 до 5 кГц отклонения увеличиваются до ±3 дБ. В области частот от 5 кГц на звук влияют небольшие неровности ушной раковины; девиации распределены несимметрично между значениями от +7 до -11 дБ соответственно.»

3.2.3. "Wideband impedance measurement in the human ear canal"

(2018 год, ссылка)

Из этого исследования, проведенного на 32 (19 женщин, 13 мужчин) взрослых субъектах с нормальным слухом, мы узнаем следующее:

Есть довольно значительная разница между слышимостью в высокочастотном диапазоне для разных возрастных групп:

Есть измеримая разница между слышимостью в высокочастотном диапазоне для мужчин и женщин:

В диапазоне от 1 до 5 кГц соответствующий стандарту IEC60318-4 имитатор слухового прохода вообще говоря врет в среднем примерно на 3 дБ в минус:

3.2.4. И еще чуть-чуть

Я отдельно настоятельно порекомендую посмотреть вот это видео с неимоверно прекрасного Youtube-канала «Звукарь бомбит», если вы хотите хоть чуть-чуть разобраться в принципах работы человеческого слуха, но читать толстые заумные книжки на эту тему лень.

3.3. Итого про ограничения стенда и точность измерений

Подытоживая написанное в данном разделе:

1. Уши у людей измеримо разные. Более-менее (более-менее, подчеркиваю) все похоже до 7 кГц, дальше начинается ад. Было бы крайне интересно увидеть результаты исследований на бОльших выборках, с процентным распределением отклонений, какими-то зависимостями и т.д., но я таких исследований не нашел. Потому что, кажется, их нет.
2. Сам по себе симулятивно-модельный подход – «усредненное резиновое ухо с усредненным слуховым каналом» — имеет свои ограничения в том смысле, что график АЧХ наушников не дает ответ на вопрос, как данные наушники услышите лично вы.
3. Конкретный стандарт IEC60318-4 может что-то рассказать об АЧХ наушников только в диапазоне от 100 до 10000 Гц с погрешностью от ±0,6 дБ до ±2,2 дБ, а в диапазоне от 1 до 5 кГц симулятор слухового канала отдельно врет на -3 дБ.
4. Китайские копии стендов GRAS не измерялись на предмет соответствия своим «правильным» прототипам. Поэтому, если быть честным до конца, вопрос о степени их соответствия стандарту IEC60318-4 также остается открытым. Частично анализ этого соответствия проведен ниже.

Суровые реалии доказательной аудиофилии, если так можно выразиться.

4. Общие рекомендации для проведения измерений накладных наушников

Несколько рекомендаций для тех, кто по какой-то причине решит заняться таким неблагодарным делом, как измерение наушников:

1. Необходимо выбирать для измерений наушники с новыми/малоиспользованными амбушюрами. А при использовании изношенных амбушюров как-то отражать это в комментариях или в названии файла с измерениями, чтобы потом не забыть.

2. Необходимо выбирать для измерений наушники со штатными амбушюрами, потому что материалы, перфорация и толщина амбушюров влияют на звук совершенно радикально.

3. Необходимо отслеживать прижим. В идеальном случае – использовать полноценный «рамочный» стенд, желательно с настраиваемым расстоянием между «ушами».

Пример более-менее правильного стенда:

Пример неправильного стенда:

4. Необходимо производить множество измерений, например, 10, с разными небольшими поворотами и сдвигами, затем выявлять и удалять явные девиации, а оставшиеся результаты усреднять. Пока никто ничего умнее не придумал.

5. Необходимо при возможности измерять по нескольку экземпляров наушников одной и той же модели. Почему – объяснено выше.

И даже если вы сделали все правильно, очень аккуратно и вдумчиво, взяли новые амбушюры, отмерили 21 межушный сантиметр, усреднили замеры даже с нескольких экземпляров наушников, то результат все равно будет отражать только характер звучания самих наушников (а не воспринимаемого пользователем звука) в диапазоне от 100 до 10 кГц с погрешностью до ±2 дБ на сам стенд. А каждый конкретный человек услышит из этих наушников что-то свое, с разницей от 0 до +7/-11 дБ в зависимости от частоты. А после 7 кГц он вообще хрен знает что там услышит. И еще есть зависимость отклонений от пола, возраста и громкости.

И это при условии, что китайский симулятор слухового канала и правда соответствует IEC60318-4, а резиновое ухо – ITU-T REC.57, о чем ниже.

Oh materialism, thou art a heartless bitch.

Получается, измерять наушники бесполезно?

5. Зачем нужны измерения наушников?

Измерения наушников на стандартизированных стендах находятся вообще вне категорий полезности или бесполезности, это просто инструмент, как лопата. Полезна ли лопата? Для копания земли – полезна, для разжигания костра – бесполезна. А в общем виде вопрос полезности лопаты бессмысленен.

Для решения каких задач полезны измерения наушников на стандартизированных стендах?
Для определения степени соответствия АЧХ наушников неким стандартизованным (и определенным только для конкретных стандартов стендов) кривым, для сравнения наушников между собой, для получения примерного представления о восприятии звука наушников слушателем. И тут стоит отметить очевидное: несмотря на все ограничения и погрешности, измерения остаются гораздо более надежным способом описания звука, чем неточные и вольно трактуемые слова отдельных людей, например, обзорщиков. Просто потому, что «живой» слуховой аппарат и мозг конкретного индивидуума вносят в оценку звука несравнимо большие искажения, чем даже несовершенный стенд, поскольку зависимы от миллиона факторов, а еще и различаются от человека к человеку.

Для решения каких задач измерения наушников на стандартизированных стендах бесполезны?
Для ответов на субъективные вопросы, типа «понравятся ли мне эти наушники?», «в них много баса?», «они хорошие?», «они подходят для классики/металла/электроники/?».

И как тогда выбрать наушники, подходящие лично мне?
Строго говоря:

1. Построить Head Related Transfer Function (HRTF) своих собственных ушей.
2. Выяснить, какой конкретно кривой Флетчера-Мэнсона соответствует звуковое давление, при котором вы обычно слушаете музыку.
3. Экспериментально, примерно как это сделали в Harman, выяснить, какое соотношение частот кажется лично вам наиболее сбалансированным/«вкусным»/приятным и т.д.
4. Из первых трёх графиков получить график вашей личной целевой кривой.
5. Подобрать наушники, наиболее близкие к ней по измерениям.

Никто и не обещал, что будет легко.

Способ номер два – пойти и послушать самостоятельно, если есть такая возможность.

6. Вычисление отклонения стенда при измерении накладных наушников

И последняя важная тема: насколько китайский стенд соответствует стандартам, что будет если сравнить измерения с GRAS 43AG.

Поскольку GRAS 43AG у меня под рукой как-то не оказалось, пришлось воспользоваться единственным доступным методом – сравнивать измерения одних и тех же моделей, но разных экземпляров наушников на GRAS 43AG (с crinacle.com) и моем стенде. А поскольку имеют место все проблемы, про которые рассказано в п. 2, то сравнить пришлось много измерений. Если конкретно, измерения 37 разных моделей наушников.

Результат получился интересный: стенд врет, но не везде и не сильно.

Вот так выглядит кривая отклонений конкретно моего стенда. С учетом того, что на выходящие за 10 кГц значения по определению насрать, оставшаяся часть 100 Гц – 10 кГц выглядит неожиданно хорошо за исключением участка около 3 кГц и промежутка 5-6 кГц.

Соответственно, далее необходимо инвертировать кривую по вертикали и использовать в качестве коррекции в дополнение к тому, что присылает производитель.

Ну и теперь, с учетом данной кривой, с учетом разницы в экземплярах, амбушюрах и руках измеряющих, сравним мои результаты и результаты с crinacle.com:

AKG K610 Pro:

Focal Clear MG:

Fostex TH610 (только левый наушник):

Meze Elite:

Focal Utopia:

Естественно, необходимо помнить, что измерения на crinacle.com тоже не идеальны – девиации у всех получаются примерно такими же. Было бы, конечно, интересно взять настоящий GRAS 43AG, одни и те же наушники, и сравнить измеренения с двух стендов. Но пока стенда GRAS в доступности нет.

Такие дела.