Практически все записи сводятся звукорежиссерами так, чтобы кажущиеся источники звука (КИЗ) правильно позиционировались в пространстве при воспроизведении с помощью акустических систем (АС) в подготовленной (хорошо заглушенной) комнате для прослушивания (КДП).

При воспроизведении музыки с помощью акустических систем излучение левой АС попадает в левое ухо и, огибая голову слушателя (что приводит к задержке и изменению АФЧХ) также попадает и в правое ухо. Аналогично происходит и с излучением от правой АС, как показано на рис. 1а. Основными проблемами прослушивания с помощью АС стоит отметить огромное влияние КДП и отсутствие точечного излучения. При воспроизведении же с помощью наушников излучение левого наушника попадает только в левое ухо, а излучение правого наушника только в правое ухо (см. рис.1б), поэтому, несмотря на отсутствие при прослушивании с помощью наушников главных проблем при прослушивании через АС, из-за неправильной локализации КИЗ (эффект звучания "в голове", см. рис. 3) наушники не подходят для высококачественного воспроизведения фонограмм или использование их при сведении фонограмм на студии. 

рис. 1 а/б

Чтоб получить правильную локализацию КИЗ при прослушивании фонограмм с помощью наушников, необходимо использовать электрический эквивалент физических процессов, происходящих при прослушивании с помощью АС - бинауральный аудио процессор, также называемый иногда crossfeed.

Большинство усилителей для головных телефонов с кроссфидом (Chord Hugo, RME ADI-2, SPL Phonitor, Meier audio, Grace m902/m903/m920, HeadRoom Ultra Desktop Amp, Headstage Arrow и т.д.) построены на основе цепей 2..4-го порядка, что не позволяет даже близко получить нужные АФЧХ (на 10кГц ФЧХ максимум -70 грд при нужных более -1600 грд, не оптимальная АЧХ)[4-6, 15-18, 24-31], что в свою очередь объясняет неоднозначные субъективные результаты при их использовании, ибо и так плохая локализация КИЗ в наушниках становится еще более странной. Существующие программные реализации [21, 22] полностью повторяют своих “железных” собратьев в плане АФЧХ, и поэтому также не представляют интереса для высококачественного прослушивания фонограмм с помощью наушников.

рис. 2

Поэтому после многих лет разработки был создан бинауральный аудио процессор, обеспечивающий соответствие реальным физическим процессам с хорошей точностью, а именно эмуляция АС, находящейся в открытом пространстве(не в помещении!) под углом +-45грд. На рис. 2 приведен график задержки сигнала подмешиваемого бинауральным процессором в Л(П) канал, соответствует расположении АС под углом в +-45грд. Применение столь сложного бинаурального аудио процессора позволило при прослушивании с помощью наушников получить звук АС ближнего поля с хорошей локализацией КИЗ по азимуту (см. рис. 3)

рис. 3

Структурная схема усилителя для наушников "Focus" показана на рис. 4. Устройство имеет вход USB, реализованный на мс CM6631A в асинхронном режиме с самописной оптимизированной прошивкой,написанной на C. Тактовый генератор для CM6631A применен с малым джиттером от фирмы Epson.

рис. 4

В отличие от стандартных схем, где цифровой сигнальный процессор используется обязательно c асинхронным преобразованием цифрового аудио сигнала, в HA "Focus" 56-битный DSP использован нестандартно, поэтому нет потребности в асинхронном преобразовании частот дискретизации (ASRC), что позволяет исключить неизбежное ухудшение качества звука из-за его применения.

Апсемплер в данном устройстве конвертирует входной поток с частоты дискретизации 44.1 кГц в хай-рез формат с использованием уникального цифрового фильтра (см. рис. 5):

• полоса пропускания (passband) до 22 кГц
• полоса задерживания (stopband) от 22,5 кГц
• подавление в полосе задержания (stopband attenuation) 81 дб
• неравномерность в полосе пропускания (passband ripple) отсутствует

Небольшие алиасы что допускает этот фильтр дополнительно задерживаются на несколько мсек что позволяет маскировать их из за эффекта Хааса. Таким образом получаем фильтр с максимально возможной полосой и отсутствием проблем из за алиасинга.

Для частоты дискретизации 44,1кГц разные ЦФ могут кардинально изменить звучание устройства, из за того что ЧД выбрана слишком "впритык", ибо слух нуждается в звуковоспроизводящей полосе несколько большей нежели букварные 20кГц, и начинается жесткая борьба между вычислительными ресурсами, полосой и алиасами. Или приходит маркетинг и делается ЦФ со специально "кривым" звуком, зато чтоб не как у всех и узнаваемо.

Примененный в данном устройстве ЦФ (см. рис. 5) позволяет заново "открыть" для слушателя ЧД 44,1кГц. Теперь звук записанный с классической частотой дискретизации в 44,1кГц звучит не уступая хайрезу. При даунсемплинге хайрез записей в 44,1кГц очень тяжело сказать что играет в данный момент, запись в стареньком 44,1кГц или хайрез запись.

рис. 5

Для частот дискретизации 88.2-192 кГц используется минимально фазовый apodizing FIR фильтр[42][43]. В отличие от полу-полосных (half band) ЦФ (типовых для всех ЦАП и АЦП), данный тип фильтра выполняет требования теоремы Котельникова-Шеннона, а именно полностью устраняет алиасы (свободный от наложения спектров), тем самым достоверно восстанавливая звуковой сигнал.

Введение apodizing фильтра в цепочку воспроизведения позволяет ликвидировать предзвон (preringing) и послезвон (postringing) всех полу-полосных ЦФ (half band DF), как использовавшихся при записи (!) сигнала, так и использующихся внутри микросхемы ЦАПа. Остается только послезвон (postringing) данного фильтра (рис. 6), который эффективно маскируется полезным сигналом.

Математические расчеты с входными 24-битными данными проведены с 28/56-битными коэффициентами, используя 56-битный аккумулятор.

рис. 6 (44.1/96/192 кГц)

Также в DSP реализован синфазный шум (subtractive dither) большой амплитуды, что позволяет в случае дифференциального включения мс ЦАП эффективно рандомизировать модулятор, не увеличивая результирующий шум на выходе устройства, а также реализовать цифровую регулировку громкости без утраты качества.
Все это, вместе с мультибитным ЦАП, позволяет получить аналоговое звучание без каких либо цифровых ноток.

Усилитель мощности сделан в классе А и способный работать на комплексную нагрузку. Чтобы уменьшить нагрев устройства используется ВК практически с рейл-ту-рейл выходом. Конструктивное исполнение выходного каскада реализовано с минимальным контуром протекания токов питания и минимальной индуктивностью цепей питания.

Усилитель мощности имеет нулевое* выходное сопротивлением для обеспечения минимальных искажений при работе на реальную нагрузку и хорошего демпфирования [40][41]. В режиме Low gain выходное сопротивление усилителя повышается до 1,9 ома для совместимости с внутриканальными наушниками.

Максимального выходного напряжения/тока и (что немаловажно) линейности усилителя достаточно, чтоб "раскачать" изодинамические наушники с чувствительностью >80дб/мВт или высокоомную динамику, например Hifiman HE1000 / Edition X / HE400i, Audeze LCD-MX4 / LCD-4 / LCD-3 / LCD-2 / LCD-X, Kennerton Odin, Sennheiser HD800 / HD600 / HD650 и т.п. Для сильно низкочувствительных наушников есть возможность подключения внешнего усилителя мощности.

В данной конструкции реализованы такие виды защит:

• от постоянного напряжения на выходе.
• от переходных процессов при включении/выключении.
• от короткого замыкания нагрузки.
• от перегрузки по току.
• от инфранизкочастотных сигналов.

На передней панели устройства выведены (слева направо):

1. Выбор режима работы - ST - Stereo или BA - Binaural audio processor.
2. Переключатель усиления имеет три положения: LG - Low gain / MG - Medium gain / HG - High gain. Выбирайте режим усиления, основываясь на показателях сопротивления и чувствительности ваших наушников.
3. Выход на наушники - Jack 6.3mm
4. Регулятор громкости.

На задней панели:

1. Линейный выход (работает при неактивном выходе на наушники).
2. USB вход.
3. Разъём сетевого питания, тип IEC C7.

Любое аудио устройство это всего лишь модулированный источник питания, поэтому качество питания очень важно. Сетевой трансформатор применен секционированный, что позволяет минимизировать проникание помех из сети и земляной ток помех между устройствами. Стабилизаторами питания аналоговой части цифро/аналогового преобразователя выступают непревзойденные на данный момент по параметрам и положительному влиянию на качество звука стабилизаторы последовательно-паралельного ("шунтовые") типа с малым и постоянным выходным сопротивлением, шумом менее 1мкВ, и PSRR >120 дб.

Включение/выключение устройства от питающей сети происходит в автоматическом режиме по сигналу от шины USB (suspend).

Линейный выход устройства специально спроектирован для подключения к балансным входам усилителей мощности. Нулевое выходное сопротивление линейного выхода позволяет получить все плюсы балансного соединения(хороший коэффициент подавления синфазного сигнала), но оставаясь обратно совместимым с небалансным соединением аудио устройств.

Краткие технические характеристики:

• Максимальный выходной ток - 400 mA.
• Максимальное выходное напряжение - 7090 mV RMS.
• Выходное сопротивление (HG/MG) – 0 Ohm*.
• Выходное сопротивление (LG) – 1,9 Ohm.
• Регулировка громкости плавная - 0..-50 dB.
• Регулировка громкости ступенчатая - 0/-14/-24 dB.
• Вход - USB(PCM 32-192kHz, DSD64-512).
• Выходной разъем - Jack 6,3 mm.
• Питание – 230 V+-10% 50-60 Hz.
• Габариты – 220*110*60 mm.
• Потребляемая мощность в рабочем режиме - <1.3 Вт по USB, <20 Вт по сети 230В.
• Потребляемая мощность в standby режиме - <0.2 Вт по USB, 0 Вт по сети 230 В.

*-без учета сопротивления выходного разъема и контактов Mute реле.

Для MacOS, Linux, Android не требуется USB драйверов. Для Windows 7/8/8.1/10 драйвер (включая ASIO) можно скачать в разделе загрузки.

Для достоверного вывода аудио данных в Windows системах допустимо использовать лишь ASIO (предварительно настроить на 24бит/50мсек), Kernel Streaming или WASAPI Exclusive.  

Отзывы о звучании устройства...

Литература:

1. Stanley A. Gelfand “Hearing: An Introduction to Psychological and Physiological Acoustics” 5th Edition 2010 Informa UK
2. “Loudspeaker and Headphone Handbook” Third Edition Edited by John Borwick with specialist contributors 2001
3. J. W. S. Rayleigh “The Theory of Sound” 1894
4. B.B.Bauer “Improving headphone listening comfort” Journal of the Audio Engineering Society, Vol.13, No.4, pp 300-302, April 1965.
5. B. B. Bauer “Stereophonic to binaural conversion apparatus” USP 3,088,997
6. Siegfried Linkwitz “Improved Headphone Listening. Build a stereo-crossfeed circuit” Audio; December 1971
7. C. Phillip Brown and Richard O. Duda “A Structural Model for Binaural Sound Synthesis” IEEE TRANSACTIONS ON SPEECH AND AUDIO PROCESSING, VOL. 6, NO. 5, SEPTEMBER 1998
8. Toni Liitola “Headphone Sound Externalization” HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Mar 7, 2006
9. S M A Basha, Abhinav Gupta, Anshul Sharma “Stereo widening system using binaural cues for headphones” Samsung Electronics
10. Thomas M.V. “Improving the stereo headphone sound image” JAES №7/8 1977
11. Duane H. Cooper, Jerald L. Bauck “Head diffraction compensated stereo system” USP 5,136,651
12. Henrik Moller, Dorte Hammershoi, Clemen Boje Jensen, Michael Friis Sorensen “Binaural synthesis, head-related transfer functions, and uses thereof” USP 6,118,875
13. Makoto Iwahara, Toshinori Mori “Stereophonic sound reproduction system” USP 4,118,599
14. Akitoshi Yamada, Toshiyuki Goto, Yoichi Kimura, Yoshinobu Kikuchi “Out-of-head localization headphone listening device” USP 4,097,689
15. Chu Moy “An Acoustic Simulator for Headphone Amplifiers”
16. Jan Meier “A diy passive crossfeed filter”
17. Jan Meier “A DIY Headphone Amplifier”
18. John Conover “Spatial Distortion Reduction Headphone Amplifier”
19. Stephen A. Davis, Martin Walsh, David Berners “Dynamic decorrelator for audio signals” USP 6,714,652
20. Andrew J. Oxenham “Binaural Hearing” Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology 2005
21. Bauer stereophonic-to-binaural DSP
22. Naive Crossfeed
23. Koenig, Florian M. “The Causals of Headphones Tone Coloration Variations Related on the Human Pinna Influence”
24. Toni Kemhagen “The Lindesberg Portable Headphone Amplifier with Crossfeed”
25. Grace m902
26. Grace m903
27. HeadRoom Supreme
28. HeadRoom Ultra Desktop Amp
29. Headstage Arrow
30. SPL Phonitor
31. Merlion. Усилитель для наушников с взаимным влиянием каналов
32. С. Агеев “Сверхлинейный УМЗЧ с глубокой ООС” Радио №10-12 за 1999 г. и №1,2,4-6,9-11 за 2000 г.
33. Sean E. Olive and Todd Welti "The Relationship between Perception and Measurement of Headphone Sound Quality"
34. Sean E. Olive, Todd Welti, and Elisabeth McMullin "Listener Preferences for In-Room Loudspeaker and Headphone Target Responses"
35. Sean E. Olive, Todd Welti, and Elisabeth McMullin "Listener Preference For Different Headphone Target Response Curves"
36. Floyd E. Toole "THE ACOUSTICS AND PSYCHOACOUSTICS OF HEADPHONES"
37. Siegfried Linkwitz "A Model for Rendering Stereo Signals in the ITD-Range of Hearing"
38. Nobumitsu Asahi, Hiroshi Aoyama, Susumu Matsuoka "HEADPHONE HEARING SYSTEM TO REPRODUCE NATURAL SOUND LOCALIZATION" Trio-Kenwood Corporation
39. Erich Meier "Simulation of a Near-Field Loudspeaker System on Headphones"
40. John Siau "The Sonic Advantages of Low-Impedance Headphone Amplifiers"
41. John Caldwell "Stabilizing difference amplifiers for headphone applications"
42. Peter G. Craven "Antialias Filters and System Transient Response at High Sample Rates" J. Audio Eng. Soc., Vol. 52, No. 3, 2004 March
43. Peter G. Craven "Controlled pre-response antialias filters for use at 96kHz and 192kHz" J. Audio Eng. Soc., Convention Paper 5822, 2003 March
44. Abhijit Kulkarni & H. Steven Colburn "Role of spectral detail in sound-source localization" NATURE | VOL 396 | 24/31 DECEMBER 1998

"Directly or indirectly, all questions connected with this subject must come for decision to the ear, as the organ of hearing; and from it there can be no appeal" J.W.S. Rayleigh