Почему импеданс наушников так сильно варьируется?

Для этого есть множество причин:

Исторически сложившиеся предпочтения — До появления первых хорошо звучащих портативных устройств большинство высококачественных наушников подключалось либо к домашней стереосистеме, либо к профессиональному студийному оборудованию. По причинам простоты и дешевизны в 60-х — 80-х такие устройства имели высокий выходной импеданс. В них просто использовались большие сопротивления, чтобы создавать падение напряжения с выходов на колонки (так к этим выходам можно было подключать наушники).
Устаревший стандарт 1996-го — В 1996 был введен стандарт на выход под наушники — 120 Ом — очевидно, больше, чем было бы удобно для разработчиков соответствующего оборудования. Впоследствии Stereophile выразил своё мнение о данном стандарте: «Кто бы это не придумал, он явно живет в мире грез». Низкий выходной импеданс даёт множество преимуществ, но необдуманный стандарт всё еще продолжает оказывать влияние на разработку высокоомных наушников.
Высокий импеданс приветствуется для high-end наушников — В данном случае может быть несколько весомых аргументов в пользу высокого импеданса наушников. Высокий импеданс позволяет использовать большее количество витков в звуковой катушке динамика. Это может повысить эффективность подвижной системы и уменьшить количество необходимых компромиссов, улучшая звучание в целом. Также высокоомным наушникам для раскачки требуется меньший ток, что зачастую приводит к уменьшению различного рода искажений. Высокий импеданс делает звучание наушников менее зависимым от выходного импеданса источников, в т. ч. менее чувствительным к длине трёхпроводного кабеля и качеству коннектора (jack, mini-jack, etc). Практически всегда усилители дают меньше искажений на наушниках с более высоким импедансом.
Революция iPod способствует снижению импеданса — На 2009 год было продано более 200 миллионов iPod'ов. До iPod были другие портативные устройства. Можно даже сказать, что с учетом музыкальных мобильных телефонов мы имеем более одного миллиарда используемых портативных устройств. Это важно, так как устройства работающие от батарей не могут нормально работать с высокоомными наушниками. Таким образом была форсирована разработка подходящих наушников с низким импедансом. Но это идет вразрез с первыми тремя пунктами; таким образом мы имеем преимущества для high-end и пережитки прошлого против огромного маркетингового потенциала миллиарда портативных устройств.

Какие наушники я могу использовать для своего устройства?

Это главный вопрос, которым задаётся большинство людей. Чтобы ответить на него, необходимо определиться с тремя вещами:

Требования к мощности — Достаточно ли у источника мощности, чтобы раскачать данную пару наушников до достаточного уровня громкости? Упомянутые выше рекомендации касаемо 100 дБ/мВт скорее всего помогут ответить на данный вопрос. В том случае, если наушники имеют меньшую чувствительность (или она не указана), смотрите статью More Power (http://nwavguy.blogspot.ru/2011/09/more-power.html).
Выходной импеданс устройства — Узнать его проблематично, так как выходной импеданс большинства устройств неизвестен. Но идея в том, чтобы соблюдать правило 1/8, описанное в статье о выходном импедансе. Если вы умножите импеданс источника на восемь, вы получите минимальный импеданс нагрузки, которую с данным устройством рекомендуется использовать. Усилитель FiiO E9, к примеру, имеет выходной импеданс 10 Ом. Таким образом, если вы хотите быть уверены в максимуме качества, его следует использовать с наушниками имеющими импеданс 80 и выше Ом.
Искажения источника — Некоторые источники имеют проблемы с низкоомной нагрузкой. Ламповые усилители без выходных трансформаторов, к примеру, дают с низкоомными наушниками значительно больше искажений.

Можно ли по ошибке повредить что-либо?

Использование неподходящих для данного устройства наушников, как правило, не повредит ничему, кроме звука. Однако, некоторые источники способны выдавать на выходе очень большие значения и потому действительно могут повредить высокочувствительные наушники. Но это произойдет лишь в том случае, если вы увеличите уровень громкости далеко за разумные пределы, т. е. скорей всего это может произойти лишь по случайности. Некоторые усилители для наушников имеют переключатель уровня усиления, чтобы предотвратить подобные случаи.

Когда возникает необходимость в усилителе для наушников или в ЦАП?

Если данные конкретные наушники играют недостаточно громко, либо же имеют другие проблемы с имеющимся устройством, скорее всего вам поможет дополнительный усилитель или DAC. Но эти устройства могут явиться причиной новых проблем. Если имеющееся устройство уже обладает достаточно низким выходными импедансом и достаточной выходной мощностью, добавление усилителя приведет скорее к ухудшению, чем к улучшению. Смотрите Headphone Amps/Dacs Explained.


Импеданс нагрузки (наушников)

В этой статье говорится о двух различных импедансах — импедансе наушников (обычно легко определяется) и импедансе источника (определить тяжело). Идеальный источник имеет нулевой выходной импеданс. Это значит, что он подаёт одно и то же значение напряжения на любую нагрузку. На практике источники с импедансом ниже 1 Ом считаются «нуль-омными» источниками. Голубая окружность на рисунке ниже (слева) изображает идеальный источник напряжения, голубой резистор в центре — выходной импеданс. Резистор справа соответствует импедансу нагрузки (наушников). Если выходной импеданс не равен нулю, напряжение источника при подключении нагрузки будет уменьшаться. Чем выше выходной импеданс, тем меньшее напряжение подается на нагрузку. Это падение вытекает из формулы: Vн = Vист * (Zн / (Zн + Zист) ). Более подробное разъяснение читайте в статье Википедии Делитель напряжения.

R или Z

Сопротивление измеряется в омах и обозначается буквой R. Оно обычно измеряется с помощью постоянного тока, это именно то, что измеряют цифровые мультиметры. Импеданс является понятием более сложным и измеряется с помощью переменного тока. Правильным является обозначение величины с помощью буквы Z (но кое-кто всё же использует R). Так как музыка — сигнал изменяющийся во времени, т. е. не постоянный, в качестве характеристики наушников выбирается именно импеданс. Импеданс складывается из активного сопротивления (R), а также реактивных емкостного и индуктивного сопротивления. Очень немногие наушники ведут себя как обычные резисторы, большинство же имеют значительную индуктивную составляющую и как минимум небольшую емкостную. Это то, что называют реактивной нагрузкой, и матчасть здесь несколько сложнее, чем простой Закон Ома.
Измерение импеданса

Вы не можете измерить импеданс наушников с помощью цифрового мультиметра (хотя многие тщетно пытаются). Чем больше реактивная составляющая импеданса, тем менее точными будут такие измерения, так как мультиметр измеряет лишь активное сопротивление на постоянном токе — R, не импеданс Z. Сопротивление на постоянном токе практически всегда меньше, чем импеданс на переменном. В то же время измерение импеданса с помощью переменного тока даёт значение лишь для одной конкретной частоты, потому лучше всего построить зависимость импеданса от частоты в виде графика. Для выполнения этой задачи необходимо специальное оборудование, которое может отслеживать одновременно и ток, и напряжение в пределах всей полосы звуковых частот. Лично я использую Prism Sound dScope.

Импеданс может меняться

Теоретически все пассивные наушники (не содержащие какой-либо электроники с собственным питанием) имеют импеданс, изменяющийся в зависимости от частоты. Как было сказано выше, они ведут себя не так, как обычное сопротивление, на которое бы мы подали звуковой сигнал. Кривая окрашенная в золотой цвет на графике ниже отражает импеданс (в омах) внутриканальных наушников Ultimate Ears SuperFi 5 Pro. Вы можете видеть, что импеданс соответствует заявленным 21 Ом лишь на частотах ниже 200 Гц. Он возрастает до 90 Ом примерно к 1200 Гц и падает до 10 Ом к 11 кГц:
#77

http://audiophilesoft.ru/publ/theory/headphones_impedance/6-1-0-293