Практично всі записи зводяться звукорежисерами так, щоб джерела звуку, що здаються, правильно позиціонувалися в просторі при відтворенні за допомогою акустичних систем (АС) в підготовленій (добре заглушеній) кімнаті для прослуховування (КДП).

При відтворенні музики за допомогою акустичних систем випромінювання лівої АС потрапляє в ліве вухо і, огинаючи голову слухача (що призводить до затримки та зміни АФЧХ), також потрапляє і в праве вухо. Аналогічно відбувається і з випромінюванням від правої АС, як показано на мал. 1а. Основними проблемами прослуховування за допомогою АС варто відзначити величезний вплив КДП та відсутність точкового випромінювання. При відтворенні ж за допомогою навушників випромінювання лівого навушника потрапляє лише у ліве вухо, а випромінювання правого навушника лише у праве вухо (див. мал.1б), тому, незважаючи на відсутність при прослуховуванні за допомогою навушників основних проблем при прослуховуванні через АС, через неправильну локалізацію джерел звуку, що здаються (ефект звучання "в голові", см. мал. 3) навушники не підходять для високоякісного відтворення фонограм або використання їх під час зведення фонограм на студії.

мал. 1 а/б

Щоб отримати правильну локалізацію джерел звуку, що здаються, при прослуховуванні фонограм з допомогою навушників, потрібно використовувати електричний еквівалент фізичних процесів, які відбуваються під час прослуховування за допомогою АС - бінауральный аудіо процесор або по іншому crossfeed.

Більшість підсилювачів для головних телефонів із кросфідом (Chord Hugo, RME ADI-2, SPL Phonitor, Meier audio, Grace m902/m903/m920, HeadRoom Ultra Desktop Amp, Headstage Arrow и т.д.) побудовані на основі кіл 2..4-го порядку, що не дозволяє навіть близько отримати потрібні АФЧХ (на 10кГц ФЧХ максимум -70 грд при потрібних більше -1600 грд, не оптимальна АЧХ) [4-6, 15-18, 24- 31], що у свою чергу пояснює неоднозначні суб'єктивні результати при їх використанні, бо і така погана локалізація джерела звуку, що здаються, у навушниках стає ще дивнішою. Існуючі програмні реалізації [21, 22] повністю повторюють своїх "залізних" побратимів у плані АФЧХ, і тому також не становлять інтересу для високоякісного прослуховування фонограм за допомогою навушників.

мал. 2

Тому після багатьох років розробки було створено бінауральний аудіо процесор, що забезпечує відповідність реальним фізичним процесам з гарною точністю, а саме емуляція АС, що знаходиться у відкритому просторі (не в приміщенні!) під кутом +-45грд. На мал. 2 наведено графік затримки сигналу, що підмішується бінауральним процесором в Л(П) канал, відповідає розташування АС під кутом +-45грд. Застосування такого складного бінаурального аудіо процесора дозволило при прослуховуванні за допомогою навушників отримати звук АС ближнього поля з гарною локалізацією джерел звуку, що здаються, по азимуту (див. мал. 3)

мал. 3

Структурна схема підсилювача для навушників "Focus" показана на мал. 4. Пристрій має вхід USB, реалізований на мс CM6631A в асинхронному режимі з оптимізованою самописною прошивкою, написаною на C. Тактовий генератор для CM6631A застосований з малим джиттером від фірми Epson.

мал. 4

На відміну від стандартних схем, де цифровий сигнальний процесор використовується обов'язково з асинхронним перетворенням цифрового аудіо сигналу, у HA "Focus" 56-бітний DSP використано нестандартно, тому немає потреби в асинхронному перетворенні частот дискретизації (ASRC), що дозволяє виключити неминуче погіршення якості звуку при його застосуванні.

Апсемплер в даному пристрої конвертує вхідний потік із частоти дискретизації 44.1 кГц у хай-рез формат із використанням унікального цифрового фільтра (див. мал. 5):

• полоса пропускання (passband) до 22 кГц
• полоса затримування (stopband) от 22,5 кГц
• придушення у смузі затримання (stopband attenuation) 81 дб
• нерівномірність у смузі пропускання (passband ripple) відсутня

Невеликі аліаси що допускає цей фільтр додатково затримуються на кілька мілісекунд, що дозволяє маскувати їх ефектом Хааса. Таким чином отримуємо фільтр з максимально можливою смугою та відсутністю проблем через аліасинг.

Для частоти дискретизації 44,1кГц різні ЦФ можуть кардинально змінити звучання пристрою, через те, що ЧД обрана занадто "впритик", бо слух потребує смуги трохи більшої ніж букварні 20кГц, і тому починається жорстка боротьба між обчислювальними ресурсами, смугою і аліасами. Або приходить маркетинг і робиться ЦФ зі спеціально "кривим" звуком, зате щоб не як у всіх і з впізнаваним звуком.

Застосований у цьому пристрої ЦФ (см. мал. 5) дозволяє знову "відкрити" для слухача ЧД 44,1кГц. Тепер звук записаний з класичною частотою дискретизації 44,1кГц звучить не поступаючись хайрезу. При даунсемплінгу хайрез записів в 44,1кГц дуже важко сказати що грає в даний момент, запис у старому 44,1кГц чи хайрез запис.

мал. 5

Для частот дискретизації 88.2-192 кГц використовується мінімально фазовий apodizing FIR фільтр[42][43].На відміну від напів-смугових (half band) ЦФ (типових для всіх ЦАП та АЦП), даний тип фільтра виконує вимоги теореми Котельникова-Шеннона, а саме повністю усуває аліаси (вільний від накладання спектрів), тим самим достовірно відновлюючи звуковий сигнал.

Введення apodizing фільтра в ланцюжок відтворення дозволяє ліквідувати переддзвін (preringing) і післядзвін (postringing) всіх напів-смугових ЦФ (half band DF), як тих,що використовувались при записі (!) сигналу, так і тих, що використовуються всередині мікросхеми ЦАП. Залишається тільки післядзвін (postringing) даного фільтра (мал. 6), який ефективно маскується корисним сигналом.

Математичні розрахунки з вхідними 24-бітовими даними проведені з 28/56-бітними коефіцієнтами, використовуючи 56-бітний акумулятор.

мал. 6 (44.1/96/192 кГц)

Також у DSP реалізований синфазний шум (subtractive dither) великої амплітуди, що дозволяє в разі диференційного включення мікросхеми ЦАП ефективно рандомізувати модулятор, не збільшуючи результуючий шум на виході пристрою, а також реалізувати цифрове регулювання гучності без втрати якості.
Все це, разом з мультибітним ЦАП, дозволяє отримати аналогове звучання без цифрових ноток.

Підсилювач потужності зроблений у класі А і здатний працювати на комплексне навантаження. Щоб зменшити нагрівання пристрою використовується ВК практично з рейл-ту-рейл виходом. Конструктивне виконання вихідного каскаду реалізовано з мінімальним контуром протікання струмів живлення та мінімальною індуктивністю кіл живлення.

Підсилювач потужності має нульовий вихідний опір, що забезпечує мінімальні спотворення при роботі на реальне навантаження і хорошого демпфування [40] [41]. У режимі Low gain вихідний опір підсилювача підвищується до 1,9 ом для сумісності з внутрішньоканальними навушниками.

Максимальної вихідної напруги/струму і (що важливо) лінійності підсилювача достатньо, щоб "розкачати" ізодинамічні навушники з чутливістю >80дб/мВт або високоомну динаміку, наприклад Hifiman HE1000 / Edition X / HE400i, Audeze LCD-MX4 / LCD-4 -3/LCD-2/LCD-X, Kennerton Odin, Sennheiser HD800/HD600/HD650 і т.п. Для сильно низькочутливих навушників є можливість підключення зовнішнього підсилювача потужності.

У цій конструкції реалізовані такі види захисту:

• від постійної напруги на виході.
• від перехідних процесів при включенні/виключенні.
• від короткого замикання навантаження.
• от перегрузки по струму.
• від інфранизькочастотних сигналів.

На передній панелі пристрою виведено (зліва направо):

1. Вибір режиму роботи - ST - Stereo або BA - Binaural audio processor.
2. Перемикач підсилення має три положення: LG - Low gain / MG - Medium gain / HG - High gain. Вибирайте режим підсилення, ґрунтуючись на показниках опору та чутливості ваших навушників.
3. Вихід на навушники - Jack 6.3mm
4. Регулятор гучності.

На задній панелі:

1. Лінійний вихід (працює при неактивному виході на навушники).
2. USB вхід.
3. Роз'єм мережевого живлення, тип IEC C7.

Будь-який аудіо пристрій це лише модульоване джерело живлення, тому якість живлення дуже важлива. Мережевий трансформатор застосований секційований, що дозволяє мінімізувати проникнення перешкод із мережі та земляний струм перешкод між пристроями. Стабілізаторами живлення аналогової частини цифро/аналогового перетворювача виступають неперевершені на даний момент за параметрами та позитивним впливом на якість звуку стабілізатори паралельного ("шунтові") типу з малим і постійним вихідним опором, шумом менше 1мкВ, і PSRR >140 дб.

Увімкнення/вимкнення пристрою від мережі живлення відбувається в автоматичному режимі за сигналом від шини USB (suspend).

Лінійний вихід пристрою спеціально спроектовано для підключення до балансних входів підсилювачів потужності. Нульовий вихідний опір лінійного виходу дозволяє отримати всі плюси балансного з'єднання (хороший коефіцієнт придушення синфазного сигналу), але залишаючись сумісним з небалансним з'єднанням аудіо пристроїв.

Короткі технічні характеристики:

• Максимальний вихідний струм - 400 mA.
• Максимальна вихідна напруга - 7090 mV RMS.
• Вихідний опір (HG/MG) – 0 Ohm*.
• Вихідний опір (LG) – 1,9 Ohm.
• Регулювання гучності плавне - 0..-50 dB.
• Регулювання гучності ступінчасте - 0/-14/-24 dB.
• Вхід - USB(PCM 32-192kHz, DSD64-512).
• Вихідний роз'єм - Jack 6,3 mm.
• Живлення – 230 V+-10% 50-60 Hz.
• Габарити – 220*110*60 mm.
• Споживана потужність в робочому режимі - <1.3 Вт по USB, <20 Вт по мережі 230В.
• Споживана потужність в standby режимі - <0.2 Вт по USB, 0 Вт по мережі 230 В.

*-без урахування опору вихідного роз'єму та контактів Mute реле.

Для MacOS, Linux, Android не потрібно USB драйверів. Для Windows 7/8/8.1/10 драйвер (включно з ASIO) можна завантажити в розділі завантаження.

Для достовірного виведення аудіо даних у Windows системах можна використовувати лише ASIO (попередньо налаштувати на 24біт/50мсек), Kernel Streaming або WASAPI Exclusive.

Відгуки про звучанння приладу...

Література:

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