[轉譯] 耳機與耳機擴大機間的電壓、電流、失真及阻抗的基本觀念

這邊有兩篇日本資深耳機玩家寫的耳機與耳機擴大機間的電壓、電流、失真及阻抗的基本觀念，
我主要簡略翻譯他第二篇關於阻抗的內容，
看得懂日文的人我建議兩篇都看，文章淺顯易懂卻不失深度，
用科學數據輔以聽感分析，沒有怪力亂神的玄學，相當中肯的解說。

• https://sandalaudio.blogspot.com/2016/07/blog-post.html
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翻譯文章建議搭配原文網址內的圖片表格更能理解。

常言道「耳機擴大機的輸出阻抗越低越好」。
輸出阻抗低，代表擴大機不管是接8Ω還是600Ω的耳機，
輸出電壓都較不易因為音量位置不同而改變。
用極端的例子來比喻，假設輸出阻抗為0Ω，
那麼不管接多少阻抗的耳機，輸出電壓都不會因為音量不同而變化；
反過來說，擴大機輸出阻抗偏高時，若耳機的阻抗較低就會導致擴大機的輸出電壓下降。

輸出阻抗0.2Ω意味著假設擴大機接上100Ω耳機時，
從擴大機的角度來看整個包含耳機的訊號鏈阻抗為：0.2Ω + 100Ω = 100.2Ω
同樣道理，若輸出阻抗為100Ω時則代表整體阻抗變成：100Ω + 100Ω = 200Ω
此時擴大機就必須把功率浪費一半在抵銷內部阻抗，只剩一半能分給耳機，
這樣一來、耳機就沒辦法如期提高電壓。

那麼為什麼會有擴大機設計成高輸出阻抗呢?

最理想的擴大機是無論耳機阻抗高低，電壓都不會被音量左右，
而這種不被負載影響電壓的擴大機必須是輸出阻抗為0Ω。
不過、當耳機的阻抗越接近0，此時為了維持電壓恆等就需要無限大的電流，
意即擴大機會被要求輸出無限大的功率。
這種狀況下若耳機接頭突然出現接觸不良而短路，那麽無盡的電流就隨之傾瀉而出。
實務上由於線材跟接孔都有些許阻抗，並不可能真的會有無盡的電流亂竄，
但仍然會有1A之類會損壞電晶體的電流流竄。
不過只要有輸出阻抗存在，那麼即便耳機因電流而故障，擴大機也不會短路；
反之、若無輸出阻抗，不僅擴大機可能損毀、電流甚至會逆流到斷路器導致斷電。
所以像德國Lehmann Audio的擴大機一律都會添加5Ω的輸出阻抗作為基本防護。

至於為什麼是5Ω?
這是由於當初設計時是以300Ω或600Ω、需要高電壓的耳機為主，
因為耳機本身的阻抗就很高了，輸出阻抗就算有5Ω，整體阻抗也才600Ω + 5Ω = 605Ω，
幾乎在不會影響音質的誤差範圍內。
但若是改接16Ω耳機，那這5Ω的輸出阻抗就不能等閒視之。
從另一個觀點來看，
監聽耳機之所以過去多採用600Ω之類的高阻抗，正是為了避免被輸出阻抗所影響。
不管輸出阻抗是多少，加總起來不會對聽感上產生音量差等影響。

通常耳機規格表上所標示的阻抗並不完全代表此耳機在所有頻率的阻抗都一樣，
一般來說、大型開放式耳機整體頻率的阻抗變動較少。
例如Beyerdynamic DT880 600Ω從超低頻到超高頻的阻抗幾乎像是被框住般保持在600～700Ω間，
因為不管對應哪個頻率的電壓，電流都大致穩定，所以不用依賴擴大機的輸出阻抗，
只要擴大機本身能提供相對足夠的音量，
DT880 600Ω接怎樣的擴大機都能保證頻率響應不受影響。

各頻率的阻抗對音色的影響原理是："阻抗高電流就不易流通"，
即便擴大機提供所有頻率一樣的電壓，
但根據阻抗不同就會產生某個頻率的電流較順暢、某個頻率電流較不順的現象。
Audeze與Fostex等開放式平面振膜耳機則克服了這點，幾乎所有的頻率阻抗都相近。
當然、即使各頻率的阻抗變化很大，也不代表實際的頻率響應不好。
(註：這端看設計者如何設計，各頻率的阻抗變化大更可能是調完音的後果、而非前因)

以Sennheiser HD800作為各頻率的阻抗變化對音色影響的例子。
當接上輸出阻抗極高的擴大機時，低頻阻抗600Ω = 電壓高、高頻阻抗300Ω = 電壓低，
導致的結果就是低音量感增加。
有個常聽到的笑話。
某人將HD800接上某高級擴大機，他跟其他人自豪說低音聽起來變非常明顯，
但實際上只是因為擴大機的輸出阻抗很高，使得高頻推不出來的關係。

那麼擴大機的輸出阻抗應該要多少才適當?
這部分眾說紛紜，有人希望輸出輸入阻抗的比例為1：10、有人希望更多，
單以HD800的頻率阻抗為300～600Ω來看，
作者認為輸出阻抗在10Ω以下，那大部分人在聽感上就不太分得出差異，
因為整體頻率的音壓變動低於±0.5dB。
不過也是有一部分舊型耳機擴大機的輸出阻抗在100Ω以上。
而即便是50萬日幣等級的Hi-Fi音響，
其耳機輸出也很多就只是在放大電路 OP Amp 上加個100Ω阻抗就完事，
以前CD Player的耳機輸出阻抗很多120Ω。

耳道式監聽 IEM 為了配合行動裝置有限的輸出功率，阻抗都非常低，
然而採用的動鐵單體 Balanced Armature的各頻率阻抗變動卻極大，
有的耳機可能低頻到中頻是20Ω，但高頻卻暴衝至110Ω。
因此容易發生兩個問題：

• 首先、如果使用高阻抗的擴大機，
  IEM過大的各頻率阻抗變動會產生電壓差 -- 也就是各頻率間會有音量差，
  換言之、就是容易因為不同擴大機而產生音色上的差異。
• 其次則是擴大機的電流輸出極限。
  耳機規格上標示16Ω，實際上卻有一段頻譜的阻抗低到5Ω，
  意外讓擴大機因為功率不夠而出現電流不足導致失真的狀態。

像SE846這類IEM因為用手機上虛弱的輸出就能有一定音量，
容易讓人產生手機就可以推得很好的錯覺，
其實IEM是一種在某個特定頻率可能突然失真、或頻率響應因為擴大機而失去原貌的高風險耳機。
反向思考也可以解讀成：
SE846之類的高價發燒耳機本來就是以接續適配且優質的擴大機為前提所設計的作品。

像Apogee Groove這種以連接高阻抗監聽耳機為設計主軸的產品，
擁有USB Bus-powered難以置信的高功率來應對高阻抗及平面振膜耳機，
但由於輸出阻抗至少20~30Ω，電壓會隨著使用耳機的阻抗變小而逐漸降低，
可能會讓耳機的頻率響應出現±2dB的變動。

隨著高音質的高階耳道式耳機 IEM 這類無論阻抗高低都不好推的機種越來越多，
"高阻抗耳機很難推"這種說法已經僅限於低電壓的智慧型手機的耳機輸出上。

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延伸閱讀：

• 錄音介面與監聽耳機阻抗搭配之我見
  https://chichengjuanhe.blogspot.com/2016/10/blog-post.html
• 簡單講解錄音介面上的輸出入阻抗、+4dBu與-10dBV
  https://chichengjuanhe.blogspot.com/2017/10/4dbu-10dbv.html