Наушники

Электромагнитные наушники 1920-х гг.

Игровые наушники с подсветкой, микрофоном и функцией вибрации

Наушники

Нау́шники — два телефона с оголовьем, предназначенные для подключения к радиоэлектронным аппаратам. Наушники представляют собой пару небольших по размеру головных телефона или блока наушника, надеваемых на голову или вставляемых прямо в ушные каналы. Наушники часто применяются в быту и в профессиональной деятельности для речевой связи и прослушивания музыки и речи, когда необходима мобильность или звукоизоляция от окружающего пространства. Наушники с прикреплённым к ним микрофоном образуют головную гарнитуру. Иногда в профессиональной деятельности вместо пары используется один отдельный наушник, он называется монитор.

В технической литературе вместо слова «наушники» традиционно используется термин «головные телефоны», происходящий от английского слова headphones (англ. head — голова, phone — телефон). Название же «телефон» (от др.-греч. τῆλε — «далеко» и φωνή — «голос», «звук») впервые применил Филипп Рейс в 1861 году.

История

Наушники возникли из-за необходимости освободить руки человека при работе с телефоном. С этой целью создавались разные устройства. К началу 1890-х годов первое устройство, несомненно представляющее собой наушники, было сделано британской компанией под названием Electrophone, которая создала систему, позволяющую своим клиентам подключаться к прямой трансляции театральных и оперных постановок Лондона. Подписчики услуги могли слушать выступление через пару массивных головных телефонов, соединённых ниже подбородка длинным стержнем. В 1891 году французский инженер Эрнест Меркадье запатентовал набор наушников-вкладышей и получил патент США № 454138 за «усовершенствования в телефонных приёмниках… которые должны быть достаточно лёгкими, чтобы их можно было носить на голове оператора».

Первые по-настоящему успешные наушники были разработаны в 1910 году Натаниэлем Болдуином, который сделал их вручную на своей кухне и продал их в ВМС США.

Классификация наушников

Накладные наушники

По назначению

• мониторные (студийные) — этот тип обеспечивает наиболее высокое и сбалансированное по частотам качество звука; наушники предназначаются для работы в студиях звукозаписи. Чтобы звукорежиссёр мог слышать мелкие дефекты записи, мониторные наушники имеют очень высокую детализацию звука, особенно в высоких частотах, что однако, ограничивает их применение в бытовых условиях, поскольку некоторые любители музыки считают такую детализацию (выявляющую все посторонние и фоновые шумы, потрескивания микрофонов и т. п.) излишней и неприятной, в особенности для старых и концертных записей;
• потребительские — предназначены для непрофессионального использования; имеют невысокую стоимость. Такие наушники могут иметь неравномерную АЧХ, выделяя, например, низкие частоты или средние частоты. В таких наушниках также большее внимание уделяется дизайну.

По способу передачи сигнала

• проводные — соединяются с источником проводом; провод при этом может служить в качестве антенны при работе с портативными FM-радиоприёмниками;
• беспроводные — получают сигнал от источника беспроводным способом посредством радиоволн (в том числе Bluetooth и пр.) или, реже, посредством инфракрасного излучения, они позволяют свободно перемещаться в зоне действия сигнала.

Сигнал может быть цифровым (блютус и тп.) или аналоговым. В сравнении с аналоговым, цифровой канал обеспечивает отсутствие потери качества звука при передаче от источника^{[уточнить]} (но это относится только к беспроводным наушникам, в проводных устройствах зачастую аналоговый канал передачи может превзойти цифровой).

По количеству каналов

• монофонические — общий сигнал на звукоизлучатели (или один звукоизлучатель) передаётся по одному каналу;
• стереофонические (наиболее распространённый тип) — на каждый из двух звукоизлучателей передаётся свой сигнал по отдельному каналу;
• многоканальные — имеют более одного звукоизлучателя для каждого уха, с отдельным каналом для каждого излучателя, что позволяет лучше имитировать объёмное звучание или разделять каналы по частотным характеристикам.

По типу конструкции (виду)

• внутриканальные (обиходное название — «затычки», «капельки», «вакуумки», «бочки», «беруши») — вставляются в ушной канал, также известные как внутриканальные мониторы (in-ear monitors — IEMs) — это небольшие наушники с аналогичной для наушников-вкладышей компактностью, которые полностью или частично вставляются в ушной канал. Это высококачественные наушники, которые используются инженерами-акустиками и музыкантами, а также аудиофилами. Внешние корпуса наушников-вкладышей изготовляются из различных материалов, таких как пластик, алюминий, керамика и металлические сплавы. Поскольку наушники-вкладыши взаимодействуют с ушным каналом, они могут быть склонны к выскальзыванию, кроме того, они блокируют большую часть шума окружающей среды, обеспечивая хорошую пассивную шумоизоляцию. Но иногда это может быть проблемой, когда звук является необходимой подсказкой для безопасности, например, при ходьбе, вождении, катании или движении в транспортном потоке. Внутриканальные наушники могут быть сделаны по индивидуальному заказу, в которых используют отливки наружного слухового прохода для того, чтобы обеспечить дополнительный комфорт и шумоизоляцию;
• вставные (обиходное название — «вкладыши», «пуговки») — вставляются в ушную раковину. Это маленькие наушники, которые размещаются непосредственно во внешнем ухе, но не вставляются в ушной канал. Наушники-вкладыши компактны, но не всегда удобны, так как многие считают, что они легко выпадают из уха пользователя. Кроме того, они практически лишены акустической изоляции и не препятствуют проникновению окружающего шума, для компенсации которого пользователи могут увеличивать громкость до опасно высокой, рискуя вызвать нарушение слуха. С другой стороны, они позволяют пользователю лучше слышать окружающие звуки. С первых дней использования транзисторного радио, персональные музыкальные устройства обычно комплектуются подобными наушниками. Иногда они продаются с амбушюрами из резины или пеноматериала для комфорта;

Смешанные поворотные наушники для постоянного ношения в одной из двух позиций: «комфорт» для тихих помещений и «качество» для пассивной звукоизоляции и хорошего звучания

• Смешанные поворотные — данный тип объединяет преимущества наушников-вкладышей и внутриканальных наушников без недостатков, присущих обоим видам. Смешанные поворотные наушники надёжно удерживаются в ухе во время ношения, при этом их положение может быть легко изменено простым движением пользователя из внутриканального положения «качество» в положение «комфорт», когда динамик располагается в ушной раковине и не препятствует мониторингу окружающих звуков, и обратно. Такие наушники позволяют, в зависимости от ситуации и желания пользователя, использовать пассивное шумоподавление в режиме «качество» (разговор или активное прослушивание музыки) или контролировать происходящее вокруг пользователя при режиме «комфорт» (при неиспользовании или при фоновом прослушивании голоса/музыки). [1]
• накладные, околоушные — накладываются на ухо;
• полноразмерные — накладываются на голову, полностью закрывая ухо. Таковые, в свою очередь, делятся на наушники:
  • открытого типа — наушники пропускают внешние звуки через специальные широкие отверстия. Многие слушатели отмечают звук открытых наушников как более естественный, с широкой звуковой сценой, и менее утомительный по сравнению со звуком закрытых наушников. Однако, в сравнении с наушниками закрытого типа, открытые наушники не обеспечивают хорошей звукоизоляции и, как правило, слабее воспроизводят низкие частоты;
  • закрытого типа — чаши наушников не имеют внешних отверстий. За счёт этого наушники не пропускают внешние шумы и обеспечивают максимальную звукоизоляцию, что позволяет использовать их в шумных условиях, а также в тех случаях, когда необходимо полностью сосредоточиться на прослушивании или прослушать конфиденциальную информацию. При высоком качестве звука, основные недостатки закрытых наушников заключаются в высокой утомляемости слуха и дискомфорте для головы в силу отсутствия циркуляции воздуха из-за плотного прилегания амбушюров (при плохом же прилегании амбушюров ухудшается воспроизведение низких частот) и, как правило, большего давления на голову, чем у открытых наушников;
  • полуоткрытого типа (или полузакрытого типа) — открытые наушники, но лишь с небольшими по размеру внешними отверстиями, призванные объединить в себе достоинства наушников закрытого и открытого типа.

По типу крепления

• с оголовьем — наушники с вертикальной дужкой, соединяющей их чашки;
• с затылочной дужкой — дужка соединяет две части наушников, но располагается на затылке; основная тяжесть наушников при этом ложится на уши;
• с креплением на ушах — обычно наушники такого типа крепятся за ушную раковину с помощью заушин или клипс;
• без креплений — наушники-вкладыши или внутриканальные наушники зачастую не имеют креплений.

По способу подключения кабеля

• двусторонние — соединительный кабель подводится к каждой из чашек наушников;
• односторонние — соединительный кабель подводится только к одной из чашек наушников, вторая подключается отводом провода от первой, зачастую провод спрятан в дужке.

По конструкции излучателя

• динамические — используют электродинамический принцип преобразования. Самый распространённый тип наушников. Конструктивно наушник представляет собой излучатель (диафрагму), к которой прикреплена катушка с проводом, находящаяся в магнитном поле постоянного магнита. Если через неё пропустить переменный ток, то он станет взаимодействовать с магнитным полем постоянного магнита, в результате чего диафрагма будет колебаться в соответствии с формой электрического сигнала звуковой частоты (см. статью Громкоговоритель). С точки зрения высококачественного звучания (см.студийные наушники), электродинамический способ преобразования сигнала имеет ряд недостатков, но постоянно совершенствующаяся конструкция таких наушников и новые материалы позволяют достигать высокого качества звука;
• с уравновешенным якорем — основной деталью является П-образный якорь из ферромагнитного сплава. В разговорной речи такие наушники часто называют «армату́рными» из-за созвучия английского слова armature (здесь «якорь») с русским словом арматура;
• электростатические — используют тончайшую мембрану, расположенную между двумя электродами. Стоимость таких наушников обычно очень высока, однако они демонстрируют и очень высокую чувствительность и высочайшую верность воспроизводимого звука. Недостаток — их нельзя напрямую подключить к стандартному разъёму для наушников, поэтому к ним в комплекте прилагается специальная док-станция;
• планарные или магнитопланарные — содержат тонкую плёночную мембрану с нанесёнными на неё металлическими токопроводящими дорожками, заключённую в решётку из стержневых магнитов и колеблющуюся между ними (см. также Излучатель Хейла). Отличаются высочайшей детальностью звучания. По форме мембраны такие наушники делятся на:
  • изодинамические — с постоянными магнитами стержневой формы;
  • ортодинамические — с плоскоцилиндрическими постоянными магнитами; чуть более компактные, чем изодинамические;
• пьезоэлектрические — с излучателями в виде тонкой пластины из пьезокерамики. Не обеспечивают высокого качества звука, но зато имеют очень большое электрическое сопротивление, поэтому широко использовались, например, с детекторными приёмниками, где это является важным преимуществом.

По сопротивлению

• низкоомные — с сопротивлением до 100 Ом. Для портативной техники рекомендуются наушники с сопротивлением от 8 до 32 Ом, максимум до 50 Ом, поскольку при большем сопротивлении портативные устройства не смогут обеспечить достаточную громкость звука без дополнительного усилителя;
• высокоомные — с сопротивлением более 100 Ом. Такие наушники как правило требуют отдельного усилителя мощности. Применительно к старой радиоаппаратуре высокоомными считались наушники с сопротивлением порядка нескольких килоом и выше, которые можно подключать к маломощным каскадам, не перегружая источник сигнала.

По типу соединительных разъемов

• Обычная двухполюсная вилка или пара одиночных штекеров — самый распространенный разъем для старых монофонических наушников, широко применявшийся до 1960-х — 1970-х гг.;
• Jack (6,3 мм);
• Mini-jack (3,5 мм);
• Micro-jack (2,5 мм);
• DIN, ОНЦ-ВН (в настоящее время устарели);
• РПВ-1, ШП-4 и др. (имеют специфическое применение или устарели);
• USB (используются в наушниках некоторых новых моделей, имеют встроенный ЦАП);
• Lightning используется в моделях iPhone 7, iPhone 7 Plus, iPhone 8, iPhone 8 Plus, iPhone X, iPhone Xs, iPhone Xs Max, iPhone Xr, iPhone 11, iPhone 11 Pro;
• в связной и другой специальной аппаратуре применяются и другие виды соединений.

Беспроводные наушники 

Беспроводные наушники получают сигнал от источника беспроводным способом, посредством радиоволн (в том числе блютус (Bluetooth) и пр.) или, реже, посредством инфракрасного излучения. Подобные наушники позволяют свободно перемещаться в зоне действия сигнала.

Сигнал может быть цифровым (блюту́с и тд.) или аналоговым.
Аналоговый канал: в настоящий момент технология радиопередатчика DECT (RF), также инфракрасный приемопередатчик — уже не используется, на смену пришла технология Bluetooth.

Как правило, беспроводные наушники обеспечивают менее высокое качество звука, нежели проводные наушники той же стоимости, в силу необходимости сравнительно дорогостоящих устройств для приёма-передачи (и, в случае цифровой передачи данных, ещё кодирования-декодирования) сигнала — даже самый совершенный кодек не способен передавать звук без потери качества.

Эта технология быстро развивалась, особенно в музыкальной индустрии. Типы наушников с технологией Bluetooth имеют небольшую компьютерную микросхему: она позволяет подключаться к устройству, с которого вы слушаете музыку. Единственное отличие от проводных гарнитур в том, что здесь не придется путаться в проводах и, зачастую, более удобны в тренажерном зале, на прогулках, при беге.

При этом, Bluetooth наушники проигрывают по качеству звучания моделям, принимающим аудиосигнал по Wi-Fi каналу, потому что технология блютус предполагает предварительное сжатие данных и только после этого его передачу (из-за этого присутствует задержка — отставание звука от изображения можно заметить при просмотре видео). Сейчас эти недостатки, с развитием технологий передачи, нивелируются.

• aptX (apt stands for audio processing technology) — семейство проприетарных алгоритмов сжатия аудиокодеков, принадлежащих Qualcomm, с упором на беспроводные (Блютус) аудиоприложения.
• WiSA — аппаратный и программный стандарт для беспроводной передачи цифрового звука от источника звука к приёмнику. Стандарт основан на технологии корпорации WiSA Technologies. Стандарт продвигает Ассоциация беспроводных динамиков и аудио (WiSA Association), в которую входят производители бытовой электроники, розничные продавцы и технологические компании. Обеспечивает высокое качество звука (до 24 бит / 96 кГц).

Беспроводные наушники отличаются по своей конструкции от проводных. Беспроводные наушники делятся по конструкции на:

• Внутриканальные наушники или вкладыши - соединенные между собой проводом или шейным ободом. Яркий представитель таких наушников Sennheiser IE 80 S BT. Конструкция с каждым годом теряет свою актуальность, из-за более практичных и удобных TWS наушников.
• TWS-наушники (true wireless stereo, «по-настоящему беспроводные стерео») — беспроводные внутриканальные наушники (вакуумные) или беспроводные вкладыши (вставные), полностью без проводов. Яркий представитель таких наушников модель Apple Airpods.
• Накладные или полноразмерные наушники — аналог проводных полноразмерных или накладных наушников, только с беспроводным подключением.

Технические характеристики

Пиктограмма наушников. Ставится для идентификации разъёмов, регуляторов и пр.

Основные технические характеристики наушников: диапазон частот, чувствительность, импеданс, максимальная мощность и уровень искажений в процентном соотношении.

1. Диапазон частот

   Эта характеристика влияет на качество звучания. Среднее значение частотной характеристики 18 Гц — 20 кГц. Отдельные профессиональные наушники имеют частотный интервал от 5 Гц до 60 кГц. Наиболее широкий заявленный частотный диапазон у некоторых моделей достигает 3 Гц — 120 кГц. Для студийной работы используют наушники с максимально линейной АЧХ (следовательно, с более точной передачей звука). Характеристика связана и с диаметром мембраны: наушники с бо́льшим диаметром мембраны при прочих равных условиях имеют повышенное качество звучания.

2. Чувствительность (КПД)

   Чувствительность влияет на громкость звука в наушниках. Обычно наушники обеспечивают чувствительность не менее 100 дБ, при меньшей чувствительности звук может быть слишком тихим (особенно при использовании с портативными устройствами). На чувствительность влияет материал магнитного сердечника, применяемого в наушниках (например, наилучшие показатели у неодимовых сердечников). У наушников-вкладышей с малым диаметром мембраны магниты маломощные.

3. импеданс (электрическое сопротивление)

   Большинство наушников имеют импеданс 8—30 Ом. Более высокоомные наушники требуют источника звукового сигнала с более высоким выходным напряжением, и поэтому могут не развивать максимальную мощность при работе с портативными устройствами с низковольтным питанием (плееры, сотовые телефоны).

4. Максимальная мощность

   Максимальная (паспортная) входная мощность обуславливает громкость звучания. Измеряется в Вт.

5. Уровень искажений

   Уровень искажений в наушниках измеряется в процентах. Чем меньше этот процент, тем лучше качество звучания. В полосе частот от 100 Гц до 2 кГц приемлемый уровень искажений — менее 1 %, тогда как для частот ниже 100 Гц допустимо 10 %.

Опасности, связанные с наушниками

См. также: Безопасное прослушивание

Длительное использование наушников на высокой громкости грозит потерей слуха. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и присутствие резонансных частот отрицательно действует на органы слуха, так как слушатель настраивает громкость, воспринимая основной спектр частот и пренебрегая резонансными. Также в наушниках каждое ухо воспринимает звуки, идущие исключительно от излучателя, предназначенного для этого уха, что приводит к несколько иному звучанию и, возможно, — к повышенной утомляемости. На утомляемость также может влиять физический дискомфорт, вызываемый наушниками.

Также существует опасность пропустить важный звуковой сигнал из-за наушников, например, при движении по дороге — как водителями (поэтому во многих странах вводятся ограничения на использование наушников водителями автотранспорта), так и пешеходами, что может стать причиной дорожно-транспортного происшествия.

Система активного шумоподавления в наушниках может вызывать головные боли. Стоит приобретать только проверенные наушники от проверенных производителей, в противном случае может пострадать здоровье. У некоторых людей бывают головные боли и с проверенными моделями, когда у большинства, с такими моделями нет никаких проблем. Это особенности технологии ANC.

См. также

• Активное шумоподавление
• Аудиофил
• Громкоговоритель
• Защитные наушники
• Наушники с уравновешенным якорем
• Телефонный капсюль

Литература

Скляров В. Е. Стереофонические головные телефоны и их применение. — Москва: Энергия, 1977. — 56 с. — (Массовая радиобиблиотека, вып. 932).

Ссылки

• Нетрадиционные излучатели. Часть 1 (неопр.). Домашний ПК. Дата обращения: 29 февраля 2016. Архивировано 19 апреля 2013 года.

Отчеты тестов наушниковТехнические измерения наушников, совместимость с усилителями и условиями эксплуатации