Введение

Устройство, расположенное рядом с ушами, воспроизводящее звук. Наушники – это пара небольших динамиков, которые носят на голове или вокруг головы, закрывая уши пользователя. Они являются электроакустическими преобразователями, преобразующими электрический сигнал в соответствующий звук. Наушники позволяют одному пользователю слушать аудиоисточник конфиденциально, в отличие от динамика, который излучает звук в открытое пространство, чтобы его могли услышать все находящиеся рядом. Наушники также известны как наушники-вкладыши или, в разговорной речи, «уши». Для накладных (окружающих ухо) и полноразмерных (покрывающих ухо) наушников используется дужка, чтобы удерживать динамики на месте. Другой тип – это вкладыши или наушники-вкладыши.

Наушники обладают широким спектром возможностей по качеству воспроизведения звука. Гарнитуры, предназначенные для телефонной связи, обычно не способны воспроизводить звук с такой же высокой точностью, как дорогие модели, предназначенные для прослушивания музыки аудиофилами. Наушники с кабелем обычно имеют разъём 6,3 мм или 3,5 мм для подключения к аудиоисточнику. Некоторые наушники беспроводные и используют Bluetooth-соединение для передачи аудиосигнала по радиоволнам от таких устройств, как мобильные телефоны и цифровые плееры. В результате «эффекта Walkman», начиная с 1980-х годов, наушники стали использоваться в общественных местах, таких как тротуары, продуктовые магазины и общественный транспорт. Наушники также используются специалистами в различных областях, например, звукорежиссёрами при сведении звука для живых концертов или звукозаписи, диджеями, которые используют наушники для предварительного прослушивания следующей песни, не слышимой публике, пилотами самолётов и сотрудниками колл-центров. Последние два типа сотрудников используют наушники со встроенным микрофоном.

История

Наушники появились из-за необходимости освободить руки человека при работе с телефоном. К 1880-м годам, вскоре после изобретения телефона, операторы телефонных станций начали использовать головные устройства для крепления телефонного приемника. Приемник крепился к голове с помощью зажима, который удерживал его у уха. Головное крепление освобождало руки оператора, позволяя ему легко соединять провода вызывающих и принимающих абонентов. Отдельный телефонный приемник, закрепленный на голове, назывался «наушником». Эти телефонные приемники, в отличие от современных наушников, имели только одну капсулу. К 1890-м годам британская компания Electrophone разработала устройство для прослушивания с двумя капсулами – которое не крепилось на голове. Устройство создало систему прослушивания через телефонные линии, позволяющую клиентам подключаться к прямым трансляциям представлений в лондонских театрах и оперных домах. Подписчики сервиса могли слушать представление через пару массивных наушников, которые соединялись под подбородком и удерживались длинной штангой. Французский инженер Эрнест Меркадье в 1891 году запатентовал внутриканальные наушники. Ему был выдан патент США № 454 138 за «усовершенствования в телефонных приемниках, которые должны быть достаточно легкими, чтобы их можно было носить на голове оператора во время использования». Современные наушники впоследствии развились из зарождающейся области беспроводной телеграфии, которая была начальным этапом радиовещания. Некоторые из первых разработчиков беспроводной телеграфии решили использовать динамик телефонного приемника в качестве детектора электрического сигнала беспроводной приемной схемы. К 1902 году изобретатели беспроводной телеграфии, такие как Ли де Форест, использовали два телефонных приемника, закрепленных на голове, для прослушивания сигнала приемной схемы. Эти два телефонных приемника, закрепленных на голове, в единственном числе назывались «головными телефонами», а год спустя стало использоваться составное слово «наушники». Одной из первых компаний, производивших наушники для беспроводных операторов, была Holtzer Cabot Company в 1909 году. Они также производили головные приемники для телефонных операторов и обычные телефонные приемники для дома. Компания стала первым крупным поставщиком гарнитур для ВМС США. В 1910 году он изобрел прототип телефонной гарнитуры из-за того, что не мог слышать проповеди во время воскресной службы. Он предложил ее для испытаний военно-морскому флоту, который незамедлительно заказал 100 штук из-за их хорошего качества. Wireless Specialty Apparatus Co., в партнерстве с Baldwin Radio Company, создала производственное предприятие в штате Юта для выполнения заказов. Эти ранние наушники использовали динамики на подвижной железной пластине.

Более компактные внутриканальные наушники, которые вставлялись в ушной канал пользователя, впервые были разработаны для слуховых аппаратов. Они получили широкое распространение с появлением транзисторных радиоприемников, которые поступили в коммерческую продажу в 1954 году с выпуском Regency TR 1. Самое популярное в истории аудиоустройство, транзисторное радио, изменило привычки прослушивания, позволив людям слушать радио где угодно. Внутриканальные наушники используют либо динамик на подвижной железной пластине, либо пьезоэлектрический кристалл для воспроизведения звука. 3,5-мм радио- и телефонный разъем, который сегодня наиболее часто используется в портативных устройствах, используется, по крайней мере, с момента выпуска транзисторного радио Sony EFM 117J в 1964 году. Его популярность укрепилась с его использованием в портативном плеере Walkman в 1979 году.

Приложения

Наушники могут использоваться со стационарными CD и DVD-плеерами, домашними кинотеатрами, персональными компьютерами или портативными устройствами (например, цифровым аудиоплеером/MP3-плеером, мобильным телефоном), при условии, что эти устройства оснащены разъёмом для наушников. Беспроводные наушники не подключаются к источнику кабелем. Вместо этого они принимают радио- или инфракрасный сигнал, закодированный посредством радио- или инфракрасной линии передачи, такой как FM, Bluetooth или Wi-Fi. Это автономные приемники, где наушники являются лишь одним из компонентов. Беспроводные наушники используются на мероприятиях, таких как Silent disco или Silent Gig. В профессиональной аудиоиндустрии наушники используются в живых выступлениях диджеями с DJ-микшером и звукорежиссёрами для мониторинга источников сигнала. В радиостудиях диджеи используют наушники во время разговора в микрофон, при выключенных динамиках, чтобы избежать акустической обратной связи при прослушивании собственного голоса. При студийной записи музыканты и вокалисты используют наушники для игры или пения под фонограмму или вместе с группой. В военных целях аудиосигналы различных типов прослушиваются с помощью наушников. Проводные наушники подключаются к источнику звука кабелем. Наиболее распространены разъёмы 6,35 мм (1/4 дюйма) и 3,5 мм. Разъём 6,35 мм чаще используется в стационарном домашнем или профессиональном оборудовании. Разъём 3,5 мм остаётся наиболее широко используемым разъёмом для портативных устройств на сегодняшний день. Доступны адаптеры для преобразования между разъёмами 6,35 мм и 3,5 мм. Как активные компоненты, беспроводные наушники, как правило, дороже из-за необходимости внутреннего оборудования, такого как батарея, контроллер зарядки, динамик и беспроводной приёмник-передатчик, в то время как проводные наушники являются пассивными компонентами, передавая управление динамиком источнику звука. Некоторые шнуры наушников оснащены последовательным потенциометром для регулировки громкости. Проводные наушники могут быть оснащены несъёмным кабелем или съёмным штекером типа "male-to-male", а также некоторыми моделями с двумя портами для подключения других проводных наушников в параллельную цепь, что позволяет разделить аудиосигнал для прослушивания другим пользователем или одновременно прослушивать звук с двух источников. Внешний аудиоразветвитель может обеспечить такую возможность.

Приложения для аудиометрического тестирования

Различные типы специально разработанных наушников или вкладышей также используются для оценки состояния слуховой системы в аудиологии с целью определения порогов слуха, медицинской диагностики потери слуха, выявления других заболеваний, связанных со слухом, и мониторинга слуха в рамках программ охраны слуха на производстве. Определенные модели наушников были приняты в качестве стандарта благодаря простоте калибровки и возможности сопоставления результатов между различными центрами тестирования. Наушники накладного типа (supra-aural) исторически наиболее часто использовались в аудиологии, поскольку их легче всего калибровать, и на протяжении многих лет они считались стандартом. Наиболее распространенными моделями являются динамические наушники Telephonics (TDH) 39, TDH 49 и TDH 50. В настоящее время чаще используются внутриканальные наушники или вкладыши, поскольку они обеспечивают более высокую степень звукоизоляции, снижают вариативность при тестировании на частотах 6000 и 8000 Гц и позволяют избежать проблем с тестированием, вызванных сужением слухового прохода. Обычно используемой моделью внутриканального вкладыша является Etymotic Research ER 3A. Обертывающие наушники (circum-aural) также используются для определения порогов слуха в расширенном диапазоне высоких частот (от 8000 Гц до 20 000 кГц). Наряду с внутриканальными вкладышами Etymotic Research ER 2A, наушники Sennheiser HDA300 и Koss HV/1A являются единственными моделями, для которых указаны эталонные эквивалентные пороговые значения уровня звукового давления для расширенного диапазона высоких частот в соответствии со стандартами ANSI. Аудиометры и наушники должны калиброваться вместе. В процессе калибровки выходной сигнал от аудиометра к наушникам измеряется с помощью шумомера для обеспечения соответствия сигнала показаниям аудиометра по уровню звукового давления и частоте. Калибровка проводится с наушниками, подключенными к акустическому муфте, имитирующей передаточную функцию наружного уха. Поскольку в процессе первоначальной калибровки аудиометра используются конкретные наушники, их нельзя заменять другими, даже той же марки и модели. Следовательно, наушники с низким импедансом, как правило, громче и эффективнее, но также требуют более мощного усилителя. Наушники с высоким импедансом более устойчивы к ограничениям усилителя, но обеспечивают меньшую громкость при заданном уровне выходного сигнала. Исторически многие наушники имели относительно высокий импеданс, часто более 500 Ом, чтобы обеспечить их эффективную работу с ламповыми усилителями с высоким импедансом. В отличие от них, современные транзисторные усилители могут иметь очень низкий выходной импеданс, что позволяет использовать наушники с низким импедансом. К сожалению, это означает, что старые аудиоусилители или стереосистемы часто обеспечивают некачественный выход на некоторых современных наушниках с низким импедансом. В этом случае может быть полезен внешний усилитель для наушников.

Чувствительность

Чувствительность – это показатель эффективности преобразования наушниками входящего электрического сигнала в слышимый звук. Таким образом, она указывает на громкость наушников при заданном уровне электрического сигнала. Чувствительность можно измерить в децибелах уровня звукового давления на милливатт (дБ (SPL)/мВт) или в децибелах уровня звукового давления на вольт (дБ (SPL)/В). К сожалению, оба определения широко используются, часто взаимозаменяемо. Поскольку выходное напряжение (но не мощность) усилителя для наушников практически постоянно для большинства распространенных моделей, дБ/мВт часто более полезно, если его преобразовать в дБ/В с использованием закона Ома:

Как только известна чувствительность на вольт, максимальную громкость для пары наушников можно легко рассчитать, исходя из максимального выходного напряжения усилителя. Например, для наушников с чувствительностью 100 дБ (SPL)/В усилитель с выходным напряжением 1 вольт среднеквадратичного значения (RMS) обеспечит максимальную громкость 100 дБ. Использование высокочувствительных наушников с усилителями мощности может привести к опасно высоким уровням громкости и повредить наушники. Максимальный уровень звукового давления – вопрос предпочтений, некоторые источники рекомендуют не превышать 110–120 дБ. В отличие от этого, Управление по охране труда США рекомендует средний SPL не более 85 дБ(А) для предотвращения долгосрочной потери слуха, а стандарт Европейского Союза EN 50332 1:2013 предписывает наличие предупреждения при громкости выше 85 дБ(А) и устанавливает абсолютный максимум громкости (определяемый шумом в диапазоне 40–4000 Гц) на уровне не более 100 дБ для предотвращения случайного повреждения слуха. При использовании этого стандарта наушники с чувствительностью 90, 100 и 110 дБ (SPL)/В должны подключаться к усилителю, способному выдавать не более 3,162, 1,0 и 0,3162 вольт RMS при максимальной настройке громкости соответственно, чтобы снизить риск повреждения слуха. Обычно чувствительность наушников находится в диапазоне от 80 до 125 дБ/мВт и обычно измеряется при частоте 1 кГц.

Технические характеристики

Размер наушников может влиять на баланс между качеством звука и портативностью. Как правило, форм-факторы наушников можно разделить на четыре отдельные категории: закрытые (накладные), полуоткрытые (над ухом), вкладыши и внутриканальные.

Проводные

Проводные наушники обеспечивают прямое электрическое соединение с устройством-источником через кабель, который обычно подключается к разъему для наушников.

Беспроводная связь

Современные беспроводные наушники не имеют проводов, соединяющих два наушника с источником звука или друг с другом; они принимают аудиосигнал по беспроводной технологии, такой как Bluetooth. Исторически термин "беспроводной" относился к соединению с радиоприемником, который называли "беспроводной связью". В некоторых моделях оба аудиопотока передаются в один наушник, который затем пересылает один из них во второй наушник. В других моделях каждый наушник получает свой аудиопоток непосредственно от источника звука. Первый вариант обеспечивает совместимость со старыми системами, а второй – снижает энергопотребление наушника, которому необходимо пересылать аудиопоток.

Циркумауральный

Циркумауральные наушники (иногда называемые полноразмерными или накладными наушниками) имеют круглые или эллипсовидные амбушюры, полностью охватывающие уши. Благодаря тому, что эти наушники полностью окружают ухо, они могут быть спроектированы таким образом, чтобы плотно прилегать к голове и снижать уровень внешнего шума. Из-за своих размеров циркумауральные наушники могут быть довольно тяжелыми, некоторые модели весят более… Эргономичная конструкция оголовья и амбушюр необходима для снижения дискомфорта, вызванного весом. Их часто используют барабанщики во время записи.

Сверхзвуковые

У суперауральных наушников, или наушников на ушах, амбушюры прижимаются к ушам, а не охватывают их. В 1980-х годах они часто комплектовались персональными стереосистемами. Как правило, такие наушники меньше и легче, чем закрытые наушники, из-за чего обеспечивают меньшую шумоизоляцию. Суперауральные наушники также могут вызывать дискомфорт из-за давления на уши, в отличие от закрытых наушников, которые охватывают уши. Уровень комфорта может зависеть от материала амбушюр.

Наушники

Наушники – это очень маленькие наушники, которые располагаются непосредственно во внешней части уха, направленные к ушному каналу, но не вставляются в него. Наушники портативны и удобны, но многие считают их некомфортными. Они практически не обеспечивают звукоизоляцию и допускают проникновение посторонних шумов; пользователи могут невольно увеличивать громкость до опасного уровня, чтобы компенсировать это, рискуя повредить слух. С другой стороны, они позволяют пользователю лучше ориентироваться в окружающей обстановке. С начала эпохи транзисторных радиоприемников наушники часто поставлялись в комплекте с персональными музыкальными устройствами. Иногда они продаются с мягкими накладками из пены или резины для большего комфорта. (Использование термина "вкладыши", которое появилось как минимум в 1984 году, получило широкое распространение после 2001 года, с успехом MP3-плеера Apple.)

Внутриушные наушники

Внутриканальные наушники, также известные как внутриушные мониторы (IEM) или канальные наушники, – это небольшие наушники, обладающие портативностью, схожей с вкладышами, которые вставляются непосредственно в слуховой канал. IEM отличаются более высоким качеством звука и используются звукорежиссерами, музыкантами и аудиофилами. Внешние корпуса внутриканальных наушников изготавливаются из различных материалов, таких как пластик, алюминий, керамика и другие металлические сплавы. Поскольку внутриканальные наушники плотно прилегают к слуховому каналу, они могут выпадать и эффективно блокируют окружающий шум. Отсутствие звуков из окружающей среды может быть проблемой, когда звук необходим для безопасности или по другим причинам, например, при ходьбе, вождении или передвижении рядом с транспортными средствами. Некоторые внутриканальные наушники оснащены встроенными микрофонами, позволяющими при необходимости слышать внешние звуки. Стандартные или изготовленные на заказ ушные вкладыши изготавливаются из силиконовой резины, эластомера или пенопласта. В более дешевых устройствах такие вкладыши могут быть взаимозаменяемыми, что повышает риск их выпадения и застревания в слуховом канале. Индивидуальные внутриканальные наушники изготавливаются по слепкам слухового канала, что позволяет создавать вкладыши индивидуальной формы, обеспечивающие повышенный комфорт и звукоизоляцию. Гарнитуры используются для двусторонней связи и обычно состоят из наушников и прикрепленного микрофона. Такие гарнитуры применяются в различных сферах, таких как авиация, военное дело, спорт, музыка и многие сервисные отрасли. Они выпускаются в различных формах и размерах в зависимости от области применения, требуемой степени шумоподавления и необходимой точности передачи звука.

Сокращение уровня шума в окружающей среде

Нежелательный шум из окружающей среды можно уменьшить, исключая звук из уха с помощью пассивной шумоизоляции или, часто в сочетании с ней, активного шумоподавления. Пассивная шумоизоляция по сути использует корпус наушников, надеваемого на ухо или вставляемого в ушной канал, как пассивный беруш, который просто блокирует звук. Наушники, обеспечивающие наибольшее ослабление звука, – это внутриканальные наушники и закрытые наушники, как накладные (circumаural), так и над-ушные (supra-aural). Открытые наушники и вкладыши обеспечивают некоторую пассивную шумоизоляцию, но значительно меньше, чем другие типы. Типичные закрытые наушники блокируют от 8 до 12 дБ, а внутриканальные – от 10 до 15 дБ. Некоторые модели специально разработаны для барабанщиков, чтобы облегчить контроль за записанным звуком, одновременно максимально снижая звук непосредственно от барабанов. Такие наушники заявляют о снижении окружающего шума примерно на 25 дБ. Наушники с активным шумоподавлением используют микрофон, усилитель и динамик для захвата, усиления и воспроизведения окружающего шума в инвертированной фазе; это в определенной степени подавляет нежелательный шум из окружающей среды, не влияя на желаемый источник звука, который не захватывается и не инвертируется микрофоном. Для работы их схемы требуется источник питания, обычно батарея. Наушники с активным шумоподавлением могут ослаблять окружающий шум на 20 дБ и более, но активная схема наиболее эффективна в отношении постоянных звуков и низких частот, а не резких звуков и голосов. Некоторые наушники с шумоподавлением предназначены в основном для снижения низкочастотного шума двигателей и шума при поездках в самолетах, поездах и автомобилях и менее эффективны в условиях с другими типами шума.

Технология преобразователей

В наушниках используются различные типы излучателей для преобразования электрических сигналов в звук.

Двигательная катушка

Движущийся катушечный излучатель, чаще называемый "динамическим" излучателем, является наиболее распространенным типом, используемым в наушниках. Он состоит из неподвижного магнитного элемента, закрепленного на корпусе наушников, который создает статическое магнитное поле. Магнит в наушниках обычно изготавливается из феррита или неодима. Голосовая катушка – легкая катушка из проволоки – подвешена в магнитном поле магнита и прикреплена к диафрагме, которая обычно изготавливается из легких материалов с высоким отношением жесткости к массе, таких как целлюлоза, полимер, углеродные материалы, бумага или аналогичные. Когда через катушку пропускается изменяющийся ток аудиосигнала, он создает переменное магнитное поле, которое взаимодействует со статическим магнитным полем, оказывая изменяющуюся силу на катушку и заставляя ее и прикрепленную к ней диафрагму вибрировать. Вибрирующая диафрагма воздействует на воздух, создавая звуковые волны.

Электростатические

Электростатические драйверы состоят из тонкой электрически заряженной диафрагмы, как правило, представляющей собой покрытую плёнку из ПЭТ, подвешенную между двумя перфорированными металлическими пластинами (электродами). Электрический звуковой сигнал подаётся на электроды, создавая электрическое поле; в зависимости от полярности этого поля диафрагма притягивается к одной из пластин. Воздух выталкивается через перфорации; в сочетании с постоянно изменяющимся электрическим сигналом, приводящим мембрану в движение, генерируется звуковая волна. Электростатические наушники обычно дороже, чем наушники с динамическими драйверами, и встречаются сравнительно редко. Кроме того, для отклонения мембраны требуется специальный усилитель, усиливающий сигнал до электрических потенциалов, часто в диапазоне от 100 до 1000 вольт. Благодаря чрезвычайно тонкой и лёгкой мембране диафрагмы, толщина которой часто составляет всего несколько микрометров, и полному отсутствию движущихся металлических частей, частотная характеристика электростатических наушников обычно значительно превышает верхний предел слышимости, примерно 20 кГц. Высокая частотная характеристика означает, что низкий уровень искажений в среднем частотном диапазоне сохраняется на всём слышимом частотном спектре, что обычно не характерно для наушников с динамическими драйверами. Кроме того, отсутствует неравномерность частотной характеристики, часто наблюдаемая в высоких частотах у наушников с динамическими драйверами. Хорошо спроектированные электростатические наушники способны обеспечивать значительно более высокое качество звука, чем другие типы. Электростатические наушники требуют источника напряжения, генерирующего от 100 В до более 1 кВ, и используются на голове пользователя. Однако, благодаря изобретению изоляторов, реальной опасности не существует. Они не передают значительный электрический ток, что дополнительно снижает риск поражения электрическим током для пользователя в случае неисправности.

Электрет

Электретный драйвер функционирует по тем же электромеханическим принципам, что и электростатический драйвер. Однако электретный драйвер имеет встроенный постоянный заряд, в то время как в электростатических заряд подается на драйвер внешним генератором. Наушники с электретными и электростатическими драйверами относительно редки. Первые электреты обычно были дешевле и имели более низкие технические характеристики и точность воспроизведения по сравнению с электростатическими. Патентные заявки, одобренные в период с 2009 по 2013 год, демонстрируют, что использование различных материалов, например, "электретной пленки на основе фторированного циклического олефина", позволяет достичь показаний частотной характеристики в 50 кГц при 100 дБ. Комбинируя эти новые улучшенные электреты с традиционным купольным драйвером для наушников, можно производить наушники, которые Японское аудио общество признает достойными включения в программу Hi Res Audio. Патенты США 8 559 660 B2, 7 732 547 B2, 7 879 446 B2, 7 498 699 B2.

Планарный магнитный

Планарные магнитные (также известные как ортодинамические) наушники используют технологию, схожую с электростатическими наушниками, но с некоторыми фундаментальными отличиями. Они работают по принципу, аналогичному плоским магнитным динамикам. Планарный магнитный драйвер состоит из относительно большой мембраны с внедрённой в неё сетью проводников. Эта мембрана подвешена между двумя рядами постоянных магнитов, ориентированных полюсами друг к другу. Пропускание тока через проводники в мембране создаёт магнитное поле, которое взаимодействует с полем постоянных магнитов, заставляя мембрану двигаться и воспроизводить звук.

Балансированная арматура

Балансированная арматура – это конструкция звукопреобразователя, предназначенная главным образом для повышения электрической эффективности элемента за счет устранения напряжения на диафрагме, характерного для многих других магнитных преобразователей. Как показано схематически на левой диаграмме, она состоит из движущейся магнитной арматуры, установленной на поворотной оси, позволяющей ей перемещаться в поле постоянного магнита. При точном центрировании в магнитном поле на арматуру не действует результирующая сила, отсюда и термин «сбалансированная». Как показано на правой диаграмме, при прохождении электрического тока через катушку, арматура намагничивается в ту или иную сторону, что вызывает её незначительное вращение вокруг оси, перемещая диафрагму и создавая звук. Конструкция механически нестабильна: даже небольшой дисбаланс приводит к прилипанию арматуры к одному из полюсов магнита. Для удержания арматуры в сбалансированном положении требуется достаточно сильная восстанавливающая сила. Хотя это снижает эффективность, данная конструкция всё равно позволяет получить больше звука при меньшей мощности, чем любая другая. Получившие распространение в 1920-х годах в радио наушниках Baldwin Mica Diaphragm, балансированные арматурные преобразователи были усовершенствованы во время Второй мировой войны для использования в военных телефонных аппаратах, работающих от звуковой энергии. Некоторые из них достигали поразительной эффективности электроакустического преобразования – от 20% до 40% – для узкополосных речевых сигналов. Сегодня они обычно используются только в внутриканальных наушниках и слуховых аппаратах, где их высокая эффективность и компактный размер являются значительным преимуществом. Они, как правило, ограничены на крайних частотах слухового диапазона (например, ниже 20 Гц и выше 16 кГц) и требуют более плотной посадки, чем другие типы излучателей, для раскрытия своего полного потенциала. В более дорогих моделях могут использоваться несколько арматурных излучателей, разделяющих частотные диапазоны с помощью пассивной кроссоверной сети. Некоторые модели сочетают арматурный излучатель с небольшим динамическим излучателем для усиления басов. Самые ранние громкоговорители для радиоприемников использовали балансированные арматурные излучатели для диффузоров.

Термоакустическая технология

Термоакустический эффект генерирует звук за счет аудиочастотного джоулева нагрева проводника – эффекта, не связанного с магнитными полями и не вызывающего вибрации динамика. В 2013 году исследовательская группа из Университета Цинхуа продемонстрировала наушник на основе термоакустического механизма, изготовленный из тонкой нити углеродных нанотрубок. Созданный таким образом наушник из тонкой нити CNT содержит рабочий элемент, называемый термоакустическим чипом из тонкой нити CNT. Этот чип состоит из слоя массива тонких нитей CNT, поддерживаемого кремниевой пластиной, и периодических канавок определенной глубины, сформированных на пластине методами микропроизводства для подавления тепловых потерь от нити CNT к подложке.

Другие технологии преобразователей

Технологии преобразователей, используемые гораздо реже в наушниках, включают в себя преобразователь движения воздуха Heil Air Motion Transformer (AMT); пьезоэлектрическую пленку; ленточные планарные магнитные; магнитострикцию и плазменные или ионные. Первые наушники Heil AMT были представлены компанией ESS Laboratories и по сути представляли собой высокочастотный динамик ESS AMT от одной из колонок компании, работающий в широком диапазоне. С начала века только Precide из Швейцарии производит наушники AMT. Наушники с пьезоэлектрической пленкой были впервые разработаны компанией Pioneer, их две модели использовали плоский лист пленки, который ограничивал максимальный объем перемещения воздуха. В настоящее время TakeT производит наушники с пьезоэлектрической пленкой, форма которых аналогична преобразователю AMT, но, как и драйвер Precide, имеет вариации в размере складок преобразователя над диафрагмой. Кроме того, конструкция включает двухполосную схему с использованием специальной панели твитера/супертвитера. Сложенная форма диафрагмы позволяет преобразователю с большей площадью поверхности поместиться в ограниченном пространстве. Это увеличивает общий объем воздуха, который может быть перемещен при каждом ходе преобразователя, учитывая эту излучающую область. Наушники с магнитострикцией, иногда продаваемые под названием Bonephones, работают, вибрируя у стороны головы и передавая звук через костную проводимость. Это особенно полезно в ситуациях, когда уши должны быть открыты, или для людей, которые потеряли слух по причинам, не связанным с нарушениями нервного аппарата слуха. Однако наушники с магнитострикцией имеют ограниченную точность по сравнению с обычными наушниками, которые полагаются на нормальное функционирование уха. Кроме того, в середине 1980-х годов французская компания Audio Reference попыталась вывести на рынок плазменные наушники Plasmasonic, изобретенные Анри Бондаром. Известных рабочих экземпляров не сохранилось. Из-за небольшого объема воздуха в наушниках плазменный или ионный преобразователь может выступать в качестве полнодиапазонного драйвера, хотя высокие температуры и напряжения делают их очень редкими.

Преимущества и ограничения

Наушники могут предотвратить прослушивание звука другими людьми, обеспечивая конфиденциальность или чтобы не мешать окружающим, например, в публичной библиотеке. Они также могут обеспечить более высокую точность звука по сравнению с акустическими системами аналогичной стоимости. Эта способность частично обусловлена отсутствием необходимости в акустической коррекции помещения при использовании наушников. Высококачественные наушники могут иметь исключительно ровную частотную характеристику на низких частотах до 20 Гц в пределах 3 дБ. В то время как для воспроизведения низких частот акустической системе требуется относительно большой динамик (часто 15" или 18"), наушники способны точно воспроизводить бас и суббас с помощью динамиков шириной всего 40-50 миллиметров (или даже меньше, как в случае внутриканальных наушников). Впечатляющая производительность наушников на низких частотах возможна благодаря их близости к уху, что позволяет им перемещать относительно небольшие объемы воздуха. Заявления производителей, такие как "частотный диапазон от 4 Гц до 20 кГц", обычно являются преувеличением; отклик устройства на частотах ниже 20 Гц, как правило, очень мал. Наушники также полезны в видеоиграх, использующих 3D-алгоритмы позиционирования звука, поскольку они позволяют игрокам точнее определять положение источника звука за пределами экрана (например, шаги противника или его выстрелы). Хотя современные наушники особенно широко используются для прослушивания стереозаписей с момента выпуска Walkman, существует субъективная дискуссия относительно характера их воспроизведения стереозвука. Стереозаписи передают информацию о горизонтальной глубине (стереобазе) посредством разницы в громкости и фазе звука между двумя каналами. При смешивании звуков от двух динамиков создается фазовая разница, которую мозг использует для определения направления. В большинстве наушников, поскольку правый и левый каналы не объединяются таким образом, иллюзия центрального фантомного источника может быть потеряна. Звуки, записанные с жесткой панорамой, слышны только в одном ухе, а не с одной стороны. Бинауральные записи используют другую технику микрофонирования для кодирования направления непосредственно в фазе, с очень небольшой разницей в амплитуде ниже 2 кГц, часто с использованием искусственной головы. Они могут создавать удивительно реалистичное пространственное впечатление при прослушивании через наушники. Коммерческие записи почти всегда используют стереозапись, а не бинауральную, поскольку прослушивание через акустические системы более распространено, чем через наушники. Возможно изменить пространственные эффекты стереозвука в наушниках, чтобы лучше имитировать звучание акустических систем, используя частотно-зависимую перекрестную модуляцию между каналами. Гарнитуры могут обладать эргономическими преимуществами по сравнению с традиционными телефонными трубками. Они позволяют операторам колл-центров поддерживать правильную осанку, не держа трубку в руке и не наклоняя голову в сторону, чтобы прижать ее.

Опасности и риски

Использование наушников при достаточно высоком уровне громкости может привести к временной или постоянной потере слуха или глухоте. Громкость наушников часто приходится увеличивать, чтобы заглушить фоновый шум, особенно в шумных местах, таких как станции метро, самолеты и большие скопления людей. Длительное воздействие высоких уровней звукового давления, создаваемых наушниками на высокой громкости, может повредить слух; около 50% подростков и молодых людей (от 12 до 35 лет) в странах со средним и высоким уровнем дохода слушают звук на своих личных аудиоустройствах и смартфонах на небезопасном уровне. Однако, исследование, проведенное одним специалистом по слуху в 2012 году (до широкого распространения смартфонов в качестве основных персональных устройств для прослушивания), показало, что "менее 5% пользователей выбирают уровень громкости и слушают достаточно часто, чтобы рисковать потерей слуха". Международный союз электросвязи недавно опубликовал "Руководство по безопасным устройствам/системам прослушивания", в котором рекомендовано, чтобы воздействие звука не превышало 80 децибел, A-взвешенных дБ(A), в течение максимум 40 часов в неделю. Европейский Союз также установил аналогичный предел для пользователей персональных устройств для прослушивания (80 дБ(A) не более 40 часов в неделю), и для каждого дополнительного увеличения воздействия звука на 3 дБ продолжительность должна быть сокращена вдвое (83 дБ(A) не более 20 часов, 86 дБ(A) – 10 часов в неделю, 89 дБ(A) – 5 часов в неделю и так далее). Большинство крупных производителей смартфонов теперь включают в свои устройства функции безопасности или ограничения громкости, а также предупреждающие сообщения. Однако такая практика вызвала неоднозначную реакцию у некоторых покупателей, которые предпочитают самостоятельно устанавливать уровень громкости. Обычно громкость звука на устройствах, подключенных к наушникам, ограничивается путем ограничения выходной мощности. Это имеет дополнительный нежелательный эффект – зависимость от эффективности наушников: устройство, выдающее максимально допустимую мощность, может не обеспечить достаточную громкость при использовании с малоэффективным оборудованием с высоким импедансом, в то время как та же мощность может достигать опасных уровней с высокоэффективными наушниками. Некоторые исследования показали, что люди чаще повышают громкость до небезопасного уровня во время интенсивных физических упражнений. Финское исследование рекомендовало, чтобы занимающиеся спортом устанавливали громкость наушников на половину от обычной и использовали их не более получаса. Помимо риска для слуха, существует общая опасность того, что прослушивание громкой музыки в наушниках может отвлекать слушателя и приводить к травмам и несчастным случаям. Наушники с шумоподавлением добавляют дополнительный риск. В нескольких странах и штатах запрещено использовать наушники во время вождения или езды на велосипеде. Контактный дерматит может быть вызван внутриушными наушниками, содержащими золото, резину, красители, акрилаты или метакрилаты. NIOSH использует норму обмена 3 дБ, часто называемую "компромиссом между временем и интенсивностью", что означает, что если уровень воздействия звука увеличивается на 3 децибела, продолжительность воздействия должна быть сокращена вдвое. NIOSH опубликовал несколько документов, направленных на защиту слуха работников, которые должны носить гарнитуры связи, таких как операторы колл-центров, пожарные, музыканты и звукорежиссеры.