Wie würde man berechnen, wie effizient ein Kopfhörer ist?

Ich versuche, ein besseres Gefühl dafür zu bekommen, wie genau die Treiber in Kopfhörern funktionieren.

Insbesondere möchte ich wissen, ob es möglich ist, zu berechnen, wie viel Strom, der in einem Paar Kopfhörer oder Lautsprecher an die Treiber gesendet wird, in Abwärme umgewandelt wird, verglichen mit der tatsächlichen Bewegung der Membran.

Beispielsweise haben die Treiber in einem Paar ATH-M50 eine Impedanz von 38 Ohm mit einer maximalen Eingangsleistung von 1600 mW bei 1 kHz.

Ich weiß nicht, was sonst noch für die Berechnung benötigt würde, aber könnte mir jemand einen allgemeinen Eindruck davon vermitteln, wie effizient solche Fahrer mit ihrer Kraft wären?

Als Nebenfrage, was passiert mit der Energie in den schwingenden Membranen? Wird der größte Teil als Schall abgegeben oder durch die Biegung des Materials auch in Wärme umgewandelt?

Ich stelle mir vor, dass irgendwo ein Standardkopf definiert ist, der den menschlichen äußeren Gehörgang modelliert und der Schalldruckpegel in einer bestimmten Tiefe abgelesen wird - wahrscheinlich Trommelfellposition. Das sollte ein Maß für die Ausgangsleistung geben. Die Eingangsleistung würde durch Messen von Spannung und Strom berechnet. Effizienz, η = P Ö U T P ICH N . Ein Frequenz-Sweep oder mehrere Testpunkte über das Audiospektrum würden es ermöglichen, einen Durchschnitt zu berechnen.
Der Standardkopf ist SEHR WICHTIG, da die Schallwellenlänge im Vergleich zu den Kopfhörer/Ohr-Abständen lang ist.
@transistor Vielen Dank für Ihre Hilfe. Können Sie mehr erklären, wenn ich Messungen für ein bestimmtes Paar Kopfhörer bereitgestellt habe? Hier ist ein gutes Set, gemessen in einer kontrollierten Umgebung mit guter Ausrüstung.
Mein Kommentar basierte auf meinem jahrzehntelangen Interesse an Audio, aber ich denke, @jbarlow hat besser geantwortet, als ich es könnte. Er hat Recht, dass alle Lautsprecher einen geringen Wirkungsgrad haben.
Obligatorischer Hinweis zur Vorsicht hier: Sie WOLLEN wirklich nicht, dass Kopfhörer effizient sind, insbesondere wenn Sie 1,6 W in sie stecken möchten (und wenn Sie es sind - tun Sie es nicht. Tun Sie es einfach nicht ...). Kopfhörer können gehen gefährlich laut ohne die üblichen Hinweise, die Ihnen der gleiche SPL von Lautsprechern geben würde. Damit meine ich nicht nur den Tritt in den Bauch durch den Bass und die vibrierenden Knochen, sondern das Klappern von Fenstern, Tassen, die von Tischen rutschen usw. 90 dB klingen moderat, 115 dB klingen etwas laut, und Sie können leicht lauter werden – und Ihr Gehör schädigen - ohne Anhaltspunkte. Siehe canford.co.uk/HEADPHONE-LIMITERS
Oder bbceng.info/EDI%20Sheets/10481.pdf . Ich bin beeindruckt zu sehen, dass sie nach 32 Jahren immer noch verfügbar sind ...

Antworten (2)

Berechnung der Kopfhörerempfindlichkeit

Der wesentliche Parameter ist die Empfindlichkeit des Treibers, normalerweise ausgedrückt in Schalldruckpegel (dB) pro elektrischem Watt (dB SPL/W), gemessen mit Prüfgeräten in 1 m Abstand. Typischerweise ist dieser Parameter frequenzempfindlich.

Bei den Kopfhörern in Ihrem Kommentar geben sie die Angabe "90 dB SPL bei 0,13 mW" an. Wie die meisten Spezifikationen in der Audioelektronikindustrie lassen sie Details zu Testbedingungen aus. Sie geben uns nicht den Frequenzbereich oder die Entfernung an, in der diese Messung durchgeführt wurde. Normalerweise wird dieser Parameter bei einem Aufnahmegerät bei 1 m angegeben, aber aus Gründen, die ich erläutern werde, ist es ziemlich klar, dass dies hier nicht der Fall war.

Nehmen wir fürs Erste an, dass sie diese bei 4,5 cm gemessen haben, wobei 1 cm zwischen dem Fahrer und dem äußeren Ohr und 3,5 cm für die durchschnittliche Tiefe des Gehörgangs bei Erwachsenen gelassen werden. Nennen wir es 90 dB SPL bei 0,13 mW, 0,045 m, wahrscheinlich bei 1 kHz, aber wir ignorieren die Auswirkungen der Frequenz.

Schall wird gemäß einem umgekehrten quadratischen Gesetz gedämpft. Wir können den Dämpfungsfaktor in dB als 20 log(0,045/1) = –27 dB berechnen. Dezibel sind Logarithmen, also ist ihre Addition/Subtraktion eine Multiplikation/Division der realen Größe.

Ziehen wir unsere Dämpfung von –27 dB ab, wissen wir jetzt:

90   D B   S P L @ 0,13   M W ,   0,045   M = 63   D B   S P L @ 0,13   M W ,   1.0   M

0,13 mW werden in –9,9 dBm oder –39,9 dBW umgewandelt. Um die „0,13 mW“-Komponente dieser nicht standardmäßigen Empfindlichkeit zu eliminieren, subtrahieren wir diesen negativen Faktor, oder addieren ihn vielmehr, wodurch sich ergibt:

63   D B   S P L @ 0,13   M W ,   1.0   M = 103   D B   S P L / W   @   1.0   M

Eine standardisierte Empfindlichkeit von 103 dB SPL/W bei 1 m entspricht einem Wirkungsgrad von 12 %. Diese Empfindlichkeit und Effizienz ist für ein High-End- Set von Dosen angemessen und wahrscheinlich typisch für Ohrhörer. Akustische Geräte sind, sagen wir mal, durchschlagend ineffizient. Erinnern Sie sich daran, wenn ein Großmaulpolitiker über etwas jammert.

Der Wirkungsgrad ist so gering, dass die Industrie vielleicht lieber nicht darüber spricht. Viele Lautsprecher können etwa 80-90 dB SPL/W @ 1 m haben, mit einem Wirkungsgrad unter 1 %. Empfindlichkeit ist der Parameter von Interesse, da unsere Wahrnehmung von Lautstärke ungefähr logarithmisch ist und eine einfache Gleichung aus Lautsprecherempfindlichkeit (dB) + Verstärkerverstärkung (dB) = Lautstärke (dB) ermöglicht. Von dort aus bestimmen Sie, wie viel Lautsprecher und Verstärker Sie benötigen, um eine gewünschte Lautstärke zu erreichen.

Berechnung der Effizienz aus der Empfindlichkeit

Die Umrechnung ist einfach:

Effizienz = 10^((Empfindlichkeit in dB – 112)/10)

Die dB SPL-Skala ist eine relative Skala, wobei 0 dB SPL als 20 µPa Schalldruck oder äquivalent 1 pW Schallleistung definiert ist .

Woher wissen wir, dass sie nicht 90 dB SPL bei 0,13 mW, 1,0 m gemessen haben? Das entspricht 130 dB SPL/W oder etwa 63 % Effizienz. Die empfindlichsten Treiber haben nur etwa 20% Wirkungsgrad.

Vorbehalte

Eine schlechte Impedanzanpassung verringert die Leistungsübertragung vom Verstärker zum Kopfhörer. Wie üblich ist idealerweise die Ausgangsimpedanz des Verstärkers gleich der Eingangsimpedanz des Treibers.

Auch die Impedanz ist frequenzabhängig.

Hallo @jbarlow, vielen Dank für deine informative Antwort, ich schätze es sehr, wenn meiner Neugier so viel Fachwissen verliehen wird. Allerdings wollte ich auch wissen, da akustische Geräte so ineffizient sind, wo bleibt die restliche Energie? Ich nehme an, dass ein ziemlicher Teil davon in Wärme umgewandelt wird, aber erwärmen sich hauptsächlich die Schwingspulen oder ist die vibrierende Membran dafür verantwortlich, mehr Energie abzuleiten? Sollte ich mir Sorgen über die Erwärmung der Schwingspule machen, die sich auf die Lebensdauer meiner High-End-Kopfhörer auswirkt? Ich habe Horrorgeschichten darüber gehört, wie High-End-Audiogeräte auf diese Weise ausgeblasen wurden. Nochmals vielen Dank.
Gern geschehen. Während ein Teil der Energie mechanisch oder magnetisch gespeichert wird, wird alles schließlich zu Wärme. sound.westhost.com/articles/speaker-failure.html schlägt vor, dass Lautsprecher aufgrund von Verstärker-Clipping ausfallen, das eine maximale mechanische Belastung auf die Einfassung ausübt und gleichzeitig so viel Strom wie möglich durch die Schwingspule drückt. Schwingspulen können ziemlich hohe Temperaturen erreichen. Die gute Nachricht ist, wenn Sie die Eingangsleistung um nur 3 dB verringern, reduzieren Sie die Leistung um 50 % und schonen auch Ihr Gehör. Kopfhörer scheinen eher zu versagen, wenn sie herunterfallen oder die externe Verkabelung beschädigen.
Okay, kann man also mit Sicherheit sagen, dass bei einem Wirkungsgrad von 12 % 12 % der Energie in der Membran in mechanische Energie umgewandelt werden und der Rest die Spule aufheizt? Oder trägt die Membran auch maßgeblich zum Energieverlust bei? Ich bin mir nicht sicher, ob der Wirkungsgrad von 12 % die Menge an Energie bedeutet, die in reinen Klang umgewandelt wird, oder die Energie, die für die tatsächliche Ausübung physikalischer Bewegungen auf das Zwerchfell aufgewendet wird.
12 % ist die Schallleistung oder die Leistung außerhalb des Lautsprechers, die Luft bewegt. Der Rest wird im Lautsprecher verbraucht. Ich weiß nicht, wie viel in der Stimme im Vergleich zum Zwerchfell steckt, aber ich vermute, das meiste davon liegt in der Schwingspule. Die Membran ist gedämpft, speichert also nicht viel Energie. Die Schwingspule drückt auf die Membran, um die Eingangsspannung genau zu replizieren, und eine präzise Steuerung bedeutet mehr Energieaufwand. Lüfter schieben auch Luft herum und machen Lärm, können aber viel effizienter sein, da sie nicht versuchen, eine komplexe Wellenform zu replizieren.

Für genaue Messungen benötigen Sie genaue Werte sowohl für den Eingang als auch für den Ausgang des Kopfhörers. Um Reflexionen zu vermeiden, wäre ein reflexionsarmer Raum erforderlich. Sie müssen ein Sinussignal von einem Signalgenerator anlegen und die elektrische Leistung messen, die in die Kopfhörer geht. Mit dem Messmikrofon und einem akustischen Analysator sollten Sie in der Lage sein, die Ausgangsleistung zu berechnen und dann das Ausgangs- / Eingangsverhältnis zu erhalten. Das Ergebnis variiert über den Frequenzbereich des Kopfhörers, daher sollten Sie die Frequenz wobbeln.

Wie würde man berechnen, wie effizient ein Kopfhörer ist?
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