Наушники

Средства персонального прослушивания являются абсолютно необходимыми в любой студии звукозаписи. Можно обойтись без того или иного прибора, без микшерного пульта и даже без микрофонов (если речь идет о пост-продакшн) – но без наушников не обойтись и в студии, оснащенной тремя парами мониторов.

Но прежде всего необходимо определиться с терминологией. Иногда приходится сталкиваться с мнением, что «наушники» – это бытовой термин, а профессиональный – «головные телефоны». Между тем в отечественных ГОСТах «головными телефонами» назывались устройства, использующие электромагнитный принцип преобразования электрического сигнала в механические звуковые колебания. Для контроля качества звукового сигнала эти устройства абсолютно не пригодны и использовались только в связи.

При появлении электродинамических устройств их тоже сначала стали по инерции называть головными телефонами, хотя конструкция, характеристики и сфера применения миниатюрных электродинамических громкоговорителей для персонального прослушивания совершенно иные. Однако эти устройства сразу нашли применение в быту, ими стали пользоваться не только профессионалы в студиях, но и любители музыки.

Возможно, поэтому громоздкий термин «головные телефоны» не прижился, в отличие от простого слова «наушники». Во всяком случае, сейчас употребление выражения «головные телефоны» в профессиональном обиходе произведет впечатление явной нарочитости и манерности.

Необходимо отметить, что в английском языке терминология простая и ясная. Там существуют два термина: headphone, буквально соответствующий русскому «головные телефоны» и обозначающий обычные наушники, и earphone, под которым понимаются миниатюрные звукоизлучатели, вкладываемые в ушные раковины. Для этого типа устройств нормального русского термина пока нет, если не считать используемое иногда выражение «ушные вкладыши» – корявое и малопонятное. Проводя аналогию с наушниками, надеваемыми на уши, их можно было бы наиболее точно назвать «вушниками», но такой термин, конечно, не имеет шансов появиться в русском языке в силу комичности звучания. Так что пока для устройств персонального прослушивания, вкладываемых в ушной канал, подходящего термина нет. Многие называют их просто наушниками, не придавая значения их отличию от надеваемых на уши устройств, а некоторые переходят к привычному калькированию с английского и говорят «ин-ир» (in-ear): «ин-ир контроль», «ин-ир мониторинг» и т.п. Впрочем, к теме настоящего обзора эти устройства отношения не имеют, поскольку в профессиональной студийной практике миниатюрные вкладыши не применяются, а персональный сценический мониторинг выходит за рамки темы обзора.

Существует еще один тип наушников – электростатические. В них используется принцип поляризации пластин, а устройство аналогично конденсаторному микрофону, только они работают как бы «наоборот». Статические наушники обеспечивают высокое качество звучания, но в студийной практике встречаются редко: они очень дороги и очень хрупки, что для звукорежиссера, постоянно то одевающего, то снимающего наушники, не подходит. К тому же они ненадежны с точки зрения электробезопасности (а напряжение поляризации составляет несколько сотен вольт), да и медициной проблема длительного нахождения головы внутри сильного электростатического поля не изучена в достаточной степени. Так что статические наушники пока остаются развлечением аудиофилов.

Рис 1

Устройство электродинамического наушника:

1 – акустически прозрачная решетка; 2 – демпфирующий материал; 3 – диффузор; 4 –электродинамический громкоговоритель;5– корпус.

В конструкциях наушников важны два момента:

тип прилегающей к уху чашки (амбушюра) и степень изоляции от внешней акустической среды.

По типу мягкой подушечки или валика, непосредственно прилегающих к голове слушателя, различаются чашки supra-aural и circum-aural. Термин supraaural означает “прямо на ухе” (“подушечка”), а circum-aural – “вокруг уха” (валик).

По степени изоляции от внешней среды различаются открытые и закрытые наушники. В профессиональной деятельности используются все типы конструкций наушников.

Для открытых наушников применяют как supra-aural, так и circum-aural амбушюры. У открытых наушников практически отсутствуют собственные резонансы корпуса, но возможен некоторый “завал” на низких частотах, а также достаточно большое проникновение внешних шумов. При большой громкости открытые наушники заметно излучают звук, поэтому они не очень подходят исполнителям при записи акустических инструментов и вокала.

Для закрытых наушников используют только circum-aural амбушюры, в которых лучше воспринимаются низкие частоты. Закрытые наушники очень плотно охватывают ушные раковины и сильно подавляют проникновение внешних звуков, а также звуков из наушников вовне. Однако работать в закрытых наушниках менее комфортно – они “давят на мозги”.

Как известно, наушники в студии используются и звукорежиссерами, и артистами при записи наложением. Общепринятой практикой стало применение звукорежиссерами открытых наушников, а артистами – закрытых. В открытых наушниках звукорежиссеры чувствуют себя более комфортно при продолжительном прослушивании, а внешний шум в студии сведен к минимуму и не представляет проблемы. Закрытые же наушники для артистов позволяют избежать упомянутого выше проникновения звука в микрофоны. Известно и то, что многим артистам, и прежде всего вокалистам, не нравится петь и играть в закрытых наушниках с полной изоляцией от внешних звуков.

Они ощущают при этом дискомфорт от неизбежной неестественности такого звучания, особенно при игре на акустических инструментах. Многие исполнители сдвигают наушники и одним ухом слушают подаваемую фонограмму, а другим – реальное акустическое звучание.

Реагируя на запросы пользователей, многие производители наушников стали выпускать устройства с одним динамиком, но стандартным оголовьем. Они широко используются при записи сольных вокалистов и инструменталистов, оркестровых групп, оркестров и т.п. Эти мононаушники следует отличать от микрофонных гарнитур, представляющих собой сочетание наушника и микрофона. В студийной практике микрофонные гарнитуры не применяются.

Наушники являются нагрузкой для соответствующего выходного каскада усилителя. Их импеданс – это внутреннее сопротивление. Чем больше импеданс электроакустического преобразователя, тем меньше нагрузка на усилитель. Однако высокий импеданс является причиной неравномерности АЧХ и низкой чувствительности. Для профессиональных моделей наушников принят номинальный импеданс в сотни Ом, в отличие от бытовых наушников, для которых предусмотрено сопротивление в десятки Ом.

Основные параметры телефонов

Определения параметров и методы их измерения даны в Рекомендации IEC60268-7 часть 7 и национальных стандартах. Основные параметры наушников приведены в таблице.

Параметр	Значение
Диапазон частот, Гц	5…30 - 20000…40000
Чувствительность, дБ/мВт	90…110
Максимальная мощность, Вт	0,01…0,1 (Кг не превышает Кг доп)
Усилие прижатия, Н	2…5
Предельный уровень звукового давления, дБ	120…130 (в слуховом проходе)
Макс. уровень звукового давления, дБ	100…120 (в слуховом проходе)
Коэффициент гармоник, %	0,2…0,5
Сопротивление, Ом	8…600
Масса, кг	0,1…0,5

АЧХ головных телефонов и диапазон частот воспроизводимых сигналов

Для головных телефонов и АС используется разная методология определения диапазона частот воспроизводимых сигналов. Для АС основным является измерение АЧХ в безэховой камере. Аналогичная процедура предусмотрена и для наушников: измерение АЧХ на имитаторе торса и головы — так называемой "искусственной головы": внутри ушных раковин которой установлены микрофоны. Измерения проводят синусоидальным сигналом или третьоктавным шумом. Метод позволяет получить объективные результаты, но интерпретировать полученные АЧХ весьма трудно.

При прослушивании в естественных условиях или при воспроизведении через АС акустические сигналы от источника попадают в оба уха. За счет пространственной фильтрации, индивидуальной для каждого слушателя, сигнал в слуховом проходе оказывается искажен: АЧХ определяют размеры и форма головы и торса. Искажения АЧХ, обусловленные дифракцией на голове и торсе, показаны на рисунке 2.

Рис. 2. Искажения АЧХ, обусловленные дифракцией на голове и торсе (0 дБ соответствует измерению в свободном поле)

Неравномерность АЧХ тракта "левая АС — левое ухо" превышает 15 дБ, в правом ухе ослабление высокочастотных составляющих достигает 15 дБ. Слух человека корректирует эти изменения сигналов по моделям из памяти, и звучание оказывается естественным. Если подвергнуть сигналы левого и правого каналов обычной фонограммы именно такой индивидуальной фильтрации, то при воспроизведении через наушники она будет звучать естественно.

Наушники с горизонтальной АЧХ окрашивают звучание, нарушается его натуральность, а кажущиеся источники звука локализуются внутри головы. Для повышения натуральности звучания производители наушников вводят в их конструкцию элементы, формирующие АЧХ специальной формы (рис. 3). Индивидуальные особенности конкретного слушателя учесть весьма сложно, одна и та же модель наушников может получить от разных слушателей или экспертов разные оценки.

Рис. 3. АЧХ трех моделей наушников, измеренные в слуховом проходе

Кроме измерений АЧХ наушников на искусственной голове, существуют более корректные методы, основанные на субъективно-статистических испытаниях.

Измерение АЧХ по диффузному полю состоит в том, что эксперт сравнивает громкости звучания в наушниках и в диффузном поле, создаваемом в помещении с помощью АС. Эксперт слушает третьоктавньгй шум с центральной частотой 1000 Гц, воспроизводимый сначала через АС, потом через телефоны. Ручкой усиления в тракте телефонов он добивается ощущения совпадения громкости в обоих случаях. Далее измерения повторяют для шума с центральной частотой 800 Гц, 630 и ниже, и вверх: 1250,1600, 2000 и так далее. Полученные значения коэффициента усиления для каждой из полос позволяют рассчитать АЧХ телефонов. Если на частоте 2000 Гц потребовалось убавить усиление на 4 дБ, то у телефонов на этой частоте подъем на 4 дБ.

Примеры АЧХ наушников, измеренных по диффузному полю, приведены на рис.4. Усреднение результатов нескольких экспертов приводит к тому, что предсказать по графикам корректность передачи спектрального баланса для конкретного слушателя весьма затруднительно.

Рис.4. АЧХ наушников, измеренные по диффузному полю

Измерение АЧХ в свободном поле проводят по такой же методике: регулировкой уровня сигнала, подаваемого на головные телефоны, эксперт добивается равенства громкостей.

Нелинейные искажения

Наушники легко обеспечивают высокий уровень звукового давления при ничтожных нелинейных искажениях. К_г<1% на частотах выше 100 Гц при уровне звукового давления 100 дБ в слуховом проходе позволяют получить практически все модели головных телефонов, но только редчайшие модели АС. Результаты измерении нелинейных искажений на частоте 100 Гц наушников Beyerdynamic DT911 приведены в таблице.

Уровень звукового давления, дБ	Коэффициент гармоник, %
	К2	К3	К4
110	0,5	0,5	-
115	3,2	1	0,5

Рис. 5 Зависимости коэффициента гармоник от частоты для трех моделей головных телефонов

Суммарный коэффициент гармоник наушников Beyerdynamic DT911 составляет всего 0,7% на частоте 100 Гц при давлении в слуховом проходе, равном 110 дБ. Результаты измерений зависимости коэффициента гармоник от частоты приведены на рис.5. Были взяты модели, отличающиеся повышенной громкостью, но и для гораздо более "тихих" моделей результаты оказываются впечатляющими.

Возможность получить большую громкость звучания в наушниках нередко становится причиной методических ошибок. Во-первых, при уровне звукового давления 110 дБ в слуховом проходе звучание оказывается иным, чем при уровне 80...90 дБ — типичном при студийном прослушивании. Во-вторых, профессиональные модели наушников способны воспроизвести сигнал с частотой 20 и даже 15 Гц, нижняя граница диапазона частот воспроизводимых сигналов у бытовой аппаратуры обычно превышает 50 Гц, а у массовых моделей — даже 80 Гц. При контроле и настройке качества звучания с помощью головных телефонов эти обстоятельства следует принимать во внимание.

Номинальное сопротивление головных телефонов измеряется обычно на частоте 1000 Гц, и для профессиональных моделей составляет 60, 250 или 600 Ом. Сопротивление головных телефонов определяется, в основном, сопротивлением провода звуковой катушки и слабо зависит от частоты.

В выходах для подключения головных телефонов установлены ограничивающие резисторы 100...600 Ом. Если без нагрузки напряжение на выходе равно, например, 1 В, то при подключении телефонов с сопротивлением 600 Ом оно упадет до 0,5...0,8 В, и на нагрузке 60 Ом — до 0,1...0,3 В. В итоге за счет того, что чувствительность высокоомных телефонов обычно выше, громкость их звучания оказывается примерно такой же, как и низкоомных.

Использование наушников и техника безопасности

Главная причина, по которой наушники используются в профессиональных целях, – это более детальная передача звуковой информации, чем при прослушивании с помощью громкоговорителей.

Однако риск повреждения слуха при работе в наушниках выше, чем при работе с мониторами, прежде всего потому, что из-за близости динамиков к ушам практически вся их энергия передается барабанной перепонке и находящемуся за ней сложному и нежному механизму внутреннего уха.

Еще одна проблема связана с тем, что низкие частоты кажутся в наушниках более тихими. Дело в том, что при работе с громкоговорителями низы воспринимаются не только ухом, но и всем телом. При прослушивании же в наушниках мозг не получает “костно-абдоминальной” звуковой информации, что формирует в нем впечатление недостаточности басов, в то время как реальное звуковое давление на низких частотах может быть аналогичным давлению в контрольных мониторах.

Стремясь к полноценному звучанию баса, точнее, к созданию того же слухового впечатления, что имеет место при прослушивании АС, слушатель невольно прибавляет низов, что, во-первых, искажает реальный частотный баланс фонограммы, а во-вторых, представляет угрозу для слуха. Звукорежиссер обязательно должен учитывать этот фактор, если не хочет испортить запись. И слух.

Специфика прослушивания в наушниках

При прослушивании акустических систем звук от громкоговорителей, прежде чем достичь барабанных перепонок, огибает голову и отражается в ушных раковинах слушателя.

В помещении излучаемые громкоговорителями звуковые волны отражаются от стен и возникают перекрестные помехи. В результате звук, достигающий слуха слушателя, существенно отличается от того сигнала, который излучают диффузоры громкоговорителей. В психоакустике явление зависимости слухового восприятия от геометрических параметров человеческого тела называется HRTF (Head Related Transform Function, то есть “функция преобразования относительно головы”). К примеру, человек, слушающий что-либо в накинутом на голову капюшоне или с рыцарскими латами на плечах, услышит совсем не то звучание, как если бы прослушивание происходило в обычной одежде.

В наушниках каждое ухо слышит сигнал только одного канала и HRTF-изменений не происходит. В результате слух формирует иную пространственно-звуковую картину: мозг помещает звуковое поле как бы внутри головы на прямой линии между ушами. Известно, что у многих слушателей это вызывает неприятные ощущения. Поэтому прослушивание одной и той же записи через наушники и мониторы дает совершенно разную пространственную картину. В наушниках практически отсутствуют такие важные параметры фонограммы, как пространственность и глубина сцены (“эшелонирование” в терминологии аудиофилов).

Есть еще один важный фактор – в наушниках запись звучит ярче, чем при прослушивании системы звукоусиления. Это связано с тем, что ВЧ-составляющая сигнала в наушниках не успевает ослабеть, в отличие от АС, где высокие частоты теряют часть энергии, особенно на достаточно больших расстояниях.

Все это приводит нас к известному выводу: сводить фонограмму в наушниках нельзя! Единственным исключением может являться только запись, предназначенная для бинаурального прослушивания (то есть только в наушниках же), но в настоящее время такие записи, сделанные с помощью системы Dummy Head, вышли из моды и выпускаются крайне редко.

Наушники очень хороши для прослушивания мелких подробностей звучания отдельных треков, в том числе примененных эффектов обработки, для контроля тембров и т.п. Незаменимы они при проверке технического качества звукового сигнала, так как многие технические недостатки (небольшие нелинейные искажения, редкие слабые щелчки, низкоуровневые шумы и.т.п.) можно обнаружить только в них.

Но формировать в наушниках окончательный микс следует только с помощью контрольных акустических мониторов! Появившиеся в последние годы HRTF-моделлеры, воссоздающие натуральное акустическое звучание путем перенаправления части сигнала в другой канал и применения задержек, то есть имитирующие прохождение звуковых волн в акустической среде, звучат довольно эффектно. Однако точность этой имитации проверить трудно, поэтому возможны ошибки в сведении. Так что пока эти моделлеры представляют собой развлечение для аудиофилов.

Наступившая эпоха многоканального Surround-звука и вовсе отводит наушникам в студиях роль сугубо вспомогательную. Попытки создать многоканальные наушники с несколькими динамиками пока носят экспериментальный характер, а компания Sennheiser давно сняла с производства свой нашумевший наплечный «хомут» Surrounder – не оправдал надежд.

Однако надо помнить, что наушники для звукорежиссера играют роль хотя и вспомогательную, но все равно важную, так что к их выбору следует отнестись очень внимательно!