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Potência do amplificador de fones de ouvido

Calcula a potência de saída, tensão e corrente necessárias do amplificador para acionar fones de ouvido ao SPL alvo.

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Fórmula

P = 10^((SPL − S)/10) mW, V = √(P × Z)

S — Headphone sensitivity (dB/mW)
Z — Headphone impedance (Ω)

Como Funciona

Os requisitos de energia do amplificador de fone de ouvido dependem da impedância (Z, em Ω) e da sensibilidade (S, em dB SPL por miliwatt). Ao contrário da sensibilidade do alto-falante, que é avaliada em 1 W/1 m, a sensibilidade do fone de ouvido é referenciada a 1 mW fornecida ao fone de ouvido. A potência necessária em miliwatts para atingir um SPL alvo é: P_mW = 10^ ((SPL_target − S)/10). A partir disso, a tensão e a corrente RMS necessárias seguem a lei de Ohm: V_rms = √ (P_W × Z) e I_ma = (V_rms/Z) × 1000. Os fones de ouvido de alta impedância (150—600 Ω) precisam de oscilações de tensão mais altas, enquanto os IEMs de baixa impedância (8—32 Ω) precisam de maior corrente. É por isso que os amplificadores de fone de ouvido de mesa com trilhos de alta tensão acionam fones de ouvido plano-magnéticos e dinâmicos de alta impedância melhor do que as saídas DAC de smartphones.

Exemplo Resolvido

Fone de ouvido: impedância de 300 Ω, sensibilidade de 100 dB/mW. SPL alvo: 110 dB.
Potência necessária:
P_mW = 10^ ((110 − 100)/10) = 10^1,0 = 10 mW
P_W = 10/1000 = 0,010 W
Tensão RMS necessária:
V_rms = √ (0,010 × 300) = √3,0 = 1,73 V
Corrente necessária:
I_ma = (1,73/300) × 1000 = 5,77 mA
Uma saída típica de smartphone atinge no máximo ~ 1,0—1,5 V RMS, portanto, pode levar esses fones de ouvido a cerca de 107—108 dB — o que é adequado, mas com espaço livre mínimo. Um amplificador dedicado que forneça pelo menos 2 V RMS em 300 Ω é recomendado para picos.

Dicas Práticas

  • ✓Para a maioria do uso doméstico em um volume confortável (~ 85 dB SPL), os requisitos de energia são pequenos (menos de 1 mW). Concentre a seleção do amplificador em obter um piso de baixo ruído e uma oscilação de tensão adequada, em vez da potência máxima.
  • ✓Regra prática: 100 vezes a potência necessária para atingir o SPL alvo oferece 20 dB de espaço livre — o suficiente para picos transitórios sem cortes. Se você precisar de 1 mW para 90 dB, um amplificador de 100 mW oferece uma altura livre confortável.
  • ✓Os fones de ouvido magnéticos planos (por exemplo, HiFiMan, Audeze) normalmente têm de 20 a 60 Ω, mas têm baixa sensibilidade (90 a 95 dB/mW), exigindo corrente e tensão — eles se beneficiam mais dos amplificadores de fone de ouvido dedicados.

Erros Comuns

  • ✗Misturando unidades de sensibilidade — as folhas de dados dos fones de ouvido podem citar a sensibilidade como dB/mW ou dB/V (a 1 V RMS). Conversão: se a sensibilidade for dada como dB/V, então dB/mW = dB/v − 10·log․ ․ (1000/Z). Para 300 Ω: dB/mW = dB/V + 10·log․ (Z/1000) = dB/V − 5,2 dB.
  • ✗Visar SPL com risco de danos auditivos — 110 dB NPS no ouvido é seguro por apenas ~ 1 minuto, de acordo com as diretrizes do NIOSH. 85 dB por 8 horas é o limite recomendado. Use a calculadora para garantir que seu amplificador possa atingir 100-105 dB com espaço livre, não para maximizar a saída.
  • ✗Ignorando a impedância de saída do amplificador — um amplificador de alta impedância de saída (>10 Ω) forma um divisor de tensão com o fone de ouvido, reduzindo o fornecimento de energia e alterando a resposta de frequência porque a impedância do fone de ouvido não é plana.

Perguntas Frequentes

Os smartphones normalmente produzem de 1 a 1,5 V RMS em cargas de alta impedância. Para um fone de ouvido de 300 Ω a 100 dB/mW, 1 V fornece P = 1²/300 = 3,3 mW, fornecendo 100 + 10·log․ (3,3) ≈ 105 dB — o que soa moderado, mas quase não deixa espaço livre. Um amplificador dedicado com um trilho de alta tensão resolve isso.
A impedância (Ω) determina quanta voltagem e corrente o fone de ouvido requer para um determinado nível de potência. A sensibilidade (dB/mW) determina a intensidade com que essa potência é convertida em som. Um fone de ouvido de alta impedância e alta sensibilidade e um fone de ouvido de baixa impedância e baixa sensibilidade podem exigir a mesma potência do amplificador, mas com níveis de voltagem muito diferentes.
Sim Uma saída balanceada efetivamente dobra a oscilação de tensão em relação a uma saída de extremidade única, quadruplicando a potência fornecida na mesma impedância de carga. Isso é especialmente benéfico para fones de ouvido de alta impedância que precisam de alta voltagem para atingir os níveis de audição.

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