錄音介面與監聽耳機阻抗搭配之我見

錄音介面與監聽耳機阻抗搭配之我見
以下內容都是東拼西湊而來，我本人沒有扎實的科學技術背景，如有誤謬還請不吝指正。

在講錄音介面與耳機阻抗搭配之前我想先講講一般人對高阻抗耳機的錯誤看法。
很多人都怕耳機推不動所以不考慮高阻抗耳機，但其實需要大電流的低阻抗耳機其實比需要高電壓的高阻抗耳機難推。
(一般所謂的高阻抗是指150-600ohm)
主要是穩定的大電流輸出在設計上較不易處理，而高電壓搭配昇壓晶片則較易達成。
例如1顆鋰電池約能提供3.7V的電壓，用了升壓晶片最多可以接近12V，工作電壓約在11V左右(±5.5V)，大概是3倍左右的效率。
所以對耳機擴大機廠商來說、高阻抗耳機一直都不是問題。

我這邊先列舉幾個高阻抗的優點供大家參考：

• 音質不容易受到耳機擴大機影響。(適合監聽)
• 音質不容易受到線材長度的影響。(適合較長線材)
• 對耳機擴大機的負擔較輕。(可以分接)

而低阻抗的優點就只有"低電壓下可以有大出力(適合移動式播放器)"。
加上低阻抗電流需求大，所以裝置若無法提供穩定的大電流就容易影響音質，這也就是為甚麼低阻抗比高阻抗更需要額外耳擴的原因。

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接著回來講正題：甚麼樣的錄音介面該搭配多少阻抗的耳機?
首先要學會看懂錄音介面廠商在規格Specifications那邊所提供的資訊，
通常會看阻抗Impedance與最大出力Max output power，比較負責的廠商如Audient或SPL會提供較完整的出力/阻抗比資訊。

• 阻抗：
  錄音介面上的耳機輸出阻抗一定要小於耳機本身的阻抗，不然除了音質會有問題外還會因為電流供應不及導致錄音介面輸出燒掉。
  特別是Shure SE846這款只有9ohm阻抗的耳機，因為一般的錄音介面多是10或30ohm，所以在搭配上要留意耳機阻抗不是越低就越好。
• 最大出力：
  耳機輸出的最大出力會隨著負載阻抗大小而有不同，
  例如同一款錄音介面30ohm時可輸出560mW的功率、但600ohm則只有90mW，意即阻抗越大、功率就會越小。
  負責任的廠商至少都會提供600ohm負載時的資訊以便我們去推算，
  不過也有廠商只會提供分貝值，例如低價位中很熱門的Focusrite Scarlett 2i2就只有寫>+10dBu而已。
  比對Audient iD4耳機輸出+12dBu=31mW的資訊後大概可以推出2i2的耳機出力低於20mW。

問題就來了、功率mW所代表的意義是甚麼?
這就要搭配耳機的靈敏度Sensitivity來看，
例如阻抗470ohm的audio-technica ATH-R70x是98dB/mW，也就是說1mW的功率可以讓耳機發出98dB的音量。
(98dB有多大聲? 大巴士的行進聲約80dB(A)、汽車的喇叭聲110dB(A)，戴耳機長期聆聽高於80~90dB的音樂會導致聽力障礙。)
1mW可以推出98dB、乍看之下就算是低於20mW的耳機輸出如2i2也綽綽有餘，
但要留意音樂本身的動態範圍若高於這個數值、例如某樂曲動態最大達到110dB，那麼要能夠完全表現出此樂曲動態範圍的話，
按照每提升3dB就需多一倍功率來計算，至少需要16mW/單聲道、32mW/立體聲的功率，
所以2i2雖然可以推出足夠的音量、但無法得到理想的動態範圍，
當然、我們也必須考量錄音介面DA所能提供的動態範圍，像2i2只有107dB也就不用去煩惱耳機能不能表現110dB了...

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高阻抗的耳機因需求的電流小，其實很好推動，若再搭配較高的靈敏度，幾乎大部分的裝置都能有足夠音量。
就我個人的使用經驗來說+13dBu=39mW into 600ohm來推470ohm的耳機在音量上沒有問題，
我一般音量都只開-50~-52.5dB，顯示+13dBu推高阻抗游刃有餘，
但由於電壓只有4.8V，所以音色表現/豐富度在低音量時並不理想，雖然音量拉高可以得到較佳的效果但也對聽力不好，
所以我認為如果使用300ohm以上的耳機至少要+17dBu才會比較理想：+17.2dBu=105mW into 600ohm 7.94Vpk。

"理論上"高阻抗耳機的電壓至少要±9V或15V才能夠有較佳的音質。
以最大負載600ohm計算、15V的電壓換算成瓦數的話大概是15 x 15 ÷ 600 = 375mW。
不過目前大部分的錄音介面、就算是超過3000美金的Apogee Symphony I/O Mk II也只有+19dBu而已，
加上600ohm以下的電壓需求會遞減，所以我覺得除非手邊只有600ohm的耳機、而且又很想要讓它吃飽飽，
不然一般運用上不需要特別再去購買高出力的耳機擴大機。

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是否有人仍會覺得高阻抗很麻煩、低阻抗比較好?
那可以先看看Audient iD22錄音介面的耳機輸出資訊：

• MAX LEVEL INTO 30ohms: +8dBu, 0.0032%, THD+N, 2.75Vpk, Power: 250mW or Pavg 125mW
• MAX LEVEL INTO 60ohms: +11dBu, 0.0022%, THD+N, 4.3Vpk, Power: 300mW or Pavg 150mW
• MAX LEVEL INTO 600ohms: +17.2dBu, 0.0013%, THD+N, 7.94Vpk, Power: 105mW or Pavg 52.5mW

會發現耳機輸出的訊號大小會隨著歐姆變小而遞減，意即相同推力下、阻抗越低所能提供的音量越小，
這證明了低阻抗更需要耳機擴大機來協助，但額外連接耳機擴大機在混/錄音時的音色確認上多少會跟錄音介面有差異，
經驗不足的話很容易影響混音出來的成果。

基本上我個人覺得混/錄音會比較適合使用高阻抗的耳機啦...

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2023/05/29更新
理論上耳機輸出阻抗只要大於輸入--也就是低出高入原則、在一般使用上應該就不會有什麼大問題，
但Audio領域會特別要求阻抗的輸出輸入比至少為1：8才能有好的效能與音色，
意即擴大機耳機輸出阻抗為1 Ohm時、耳機本身的阻抗至少要有8 Ohm。
所以各位如果有使用耳機監聽需求的話，
建議留意一下錄音介面與耳機的阻抗有無匹配問題。

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2023/06/17更新
無論什麼器材，只要輸出與輸入無法做到阻抗匹配時，低出高入是必須遵守的原則。

歐姆定律：電壓V = 電流I * 電阻R。
而在一個包含輸出與輸入的電路上 -- 如Amp與Headphone，總電阻 R = 輸出R out + 輸入R in。

為什麼低出高入是必須遵守的原則?
假設阻抗是高出低入的話，如R out = 99Ω、R in = 1Ω、而V = 100V時，
由於總電阻R = 100Ω，所以電流I = 電壓100V / 電阻100Ω，也就是I = 1A，
此時R out所承受的電壓是99Ω * 1A = 99V，R in則為1V，
代表整個電路上的電壓絕大部分 (99V) 會內耗在輸出端 (Amp側) R out上，
不僅會讓內部電壓過高造成輸出端的負荷、增加損毀風險，
同時也因為輸入端 (Speaker / Headphone側) 的電壓只有輸出端的1%而發生壓降現象，
壓降在音訊上會導致訊號失真及雜訊發生、甚至造成設備損壞。

低出高入的缺點是訊號傳送會因為輸入端的阻抗越高越容易受到雜訊影響而不利長距離傳輸，
但至少不會造成設備損壞。

至於為什麼錄音介面、耳機擴大機的耳機輸出阻抗越做越低?
那是因為訊號傳輸受到阻抗的影響無可避免地會產生損失，
如果無法做到阻抗匹配的話，理論上解決方法有兩種：

1. 輸出端阻抗R out盡可能接近零、
2. 或是輸入端阻抗R in盡可能地大，

這是為了讓Power Loss (dB) = 10 * Log [R out * R in / (R out + R in)²] 中括號內所得的值盡可能接近1。
不過現在耳機為了要配合行動裝置有限的輸出能力而採用低阻抗高靈敏的設計，故無法提高阻抗，
所以就只能選擇盡量降低輸出阻抗的方法來減少訊號損失。

最後補一個現在銷聲匿跡的耳機界爭議或傳奇人物NwAvGuy對耳機阻抗的解說：
https://nwavguy.blogspot.com/2011/02/headphone-amp-impedance.html