5 МИКРОФОНЫ И

• • • • 5. МИКРОФОНЫ И ЛАРИНГОФОНЫ. 5. 1. Классификация и основные параметры Микрофон – это устройство для преобразования акустических колебаний воздушной среды в электрические сигналы. Микрофон является первым и одним из наиболее важных звеньев любого электроакустического тракта. Поэтому его свойства оказывают огромное влияние на качество работы этого тракта. Ларингофон – это устройство для преобразования механических колебаний связок и хрящей гортани говорящего человека в электрические сигналы. Он малочувствителен к колебаниям воздушной среды и применяется вместо микрофона на тех объектах связи, где имеются высокие уровни акустических шумов (самолет, промышленный цех и т. п. ). По способу преобразования колебаний микрофоны делятся на: электродинамические (катушечные и ленточные), электростатические (конденсаторные и электретные), электромагнитные, угольные, релейные (транзисторные). По электроакустическим параметрам микрофоны разделяют на четыре группы сложности: нулевая (высшая), первая, вторая и третья. Микрофоны нулевой, первой и второй групп сложности предназначены для звукопередачи, звукозаписи и звукоусиления музыки и речи. Кроме того, по некоторым параметрам микрофоны подразделяются на устройства высшей и первой категории качества. Рассмотрим основные электроакустические параметры микрофонов: 1) номинальный диапазон частот, тот диапазон, в котором нормируются параметры микрофона; 2) модуль полного электрического сопротивления (также называется выходным или внутренним сопротивлением) нормируется на частоте 1000 Гц; 3) чувствительность микрофона. Различают несколько видов чувствительностей микрофона: осевая (по фронту), по свободному и диффузному полю. Осевая чувствительность Ео определяется при воздействии на микрофон звукового давления вдоль оси, т. е. под углом 0. Чувствительность по свободному полю Есв определяют при воздействии на микрофон звукового давления в свободном поле. При этом свободным полем называют такое поле, в котором преобладает прямая звуковая волна; а влияние отраженных волн пренебрежимо мало. Чувствительность по диффузному полю Едиф определяют при воздействии на микрофон

• • • • Диффузное поле – это однородное и изотропное поле, т. е. такое поле, в каждой точке которого одинакова плотность звуковой энергии и в котором по всем направлениям распространяются одинаковые потоки звуковой энергии. Чувствительность микрофона зависит от частоты. Поэтому введено понятие среднеквадратического значения чувствительности. Эта величина измеряется на частотах октавного ряда: 31, 5; 63; 125; 250; 8000 и 16000 Гц; 4) уровень чувствительности, чувствительность, выраженная в д. Б относительно величины Енач = 1 В/Па и определяемая по формуле (д. Б), (5. 2) где Е – чувствительность микрофона, м. В/Па; 5) стандартный уровень чувствительности, уровень мощности отдаваемой микрофоном в номинальную нагрузку Rном , при давлении р = 1 Па равны (д. Б); (5. 3) 6) характеристика направленности R ( ) – зависимость чувствительности микрофона в свободном поле на определенной частоте от угла между рабочей осью микрофона и направлением на источник звука. Обычно приводят нормированную характеристику направленности: . (5. 4) Если берутся уровни чувствительности микрофона, то: 7) диаграмма направленности – это графическое изображение характеристики направленности в полярных координатах. Различают следующие диаграммы направленности микрофонов: Рис. 5. 1. Диаграммы направленности микрофонов 8) перепад чувствительности (фронт/тыл); 9) коэффициент направленности имеет вид.

• • • • • • Этот параметр есть отношение квадрата чувствительности микрофона в свободном поле в направлении рабочей оси к среднему по всем направлениям квадрату чувствительности на среднегеометрической частоте. Логарифм от этого параметра, называется индексом направленности: ; (5. 7) 10) коэффициент гармоник микрофонов обычно не нормируют и не измеряют (кроме нулевого класса), т. к. он небольшой (менее 0, 5 %) при воздействии звукового давления до 120 д. Б. Обычно нормируется уровень предельного звукового давления в диапазоне частот 250 … 8000 Гц; 11) динамический диапазон микрофона – разность между уровнем предельного звукового давления Nmax и уровнем собственных шумов Nш: , (д. Б). (5. 8) Напряжение шумов является следствием флуктуаций частиц в окружающей среде, тепловых шумов в деталях и элементах усилителя (в электрической части микрофона). Уровень шума определяется следующей формулой: , (д. Б), (5. 9) где , (Па). Условные обозначения микрофонов: МД – микрофон динамический катушечный; МЛ – микрофон динамический ленточный; МК – микрофон конденсаторный (иногда угольный); МКЭ – микрофон конденсаторный электретный; ДЭМШ – динамический электромагнитный микрофон шумозащищенный; РМ – радиомикрофоны. Условные обозначения ларингофонов: ЛА – ларингофон угольный; ЛЭМ – электромагнитный ларингофон.

• 5. 2. Принцип действия микрофонов Любой микрофон состоит из двух систем: акустико-механической и механоэлектрической. Свойства акустико механической системы сильно зависят от того, воздействует ли звуковое давление на одну сторону диафрагмы – микрофон приемник давления (МПД), изображенный на рис. 5. 2, а, или на обе стороны – микрофон приемник градиента давления (МПГД). А также эти свойства зависят от того, симметрично ли это воздействие. МПГД изображен схематично на рис. 5. 2, б. • • Рис. 5. 2. Приёмники звуковых колебаний • Рис. 5. 3. Асимметричный МПГД • Если на одну из сторон диафрагмы действуют колебания, непосредственно возбуждающие ее, а на вторую – прошедшие через какое-либо механическое или акустическое сопротивление или систему задержки времени, то это асимметричный МПГД (рис. 5. 3). • • •

• • • Рассмотрим принцип действия каждого типа приемника звуковых колебаний. 1. МПД. Для него результирующая сила, действующая на диафрагму будет равна , (5. 10) где ро – звуковое давление, имевшее место в акустическом поле до внесения в него микрофона; S – поверхность диафрагмы; k – коэффициент дифракции, определяемый как где р – звуковое давление после внесения микрофона в звуковое поле. На НЧ, где размеры микрофона малы по сравнению с длиной звуковой волны, k 1. Эта величина начинает повышаться к ВЧ. В целом, зависимость величины k от частоты сильно влияет на форму микрофона. На рис. 5. 2 (а) изображен принцип действия приемника давления и его диаграммы направленности для разных отношений d/ : 1 – 0, 1; 2 – 0, 5; 3 – 2, 0. Наименьшее влияние вносит сфероподобная конструкция головки микрофона, а наибольшее влияние - кубическая конструкция. Кроме формы микрофона на коэффициент дифракции k влияет также акустикомеханическое сопротивление микрофона и даже его стенок. Давление, действующее на диафрагму, изменяется по сравнению с давлением в свободном поле не только из за дифракции, но и из за резонирующего действия углубления перед диафрагмой, имеющегося у многих типов микрофонов, вследствие применения колец для крепления диафрагмы к основной конструкции микрофона (корпус). Обычно вносят поправку на увеличение давления на диафрагму вследствие действия углубления, определяемого по кривым. Эти кривые имеются в справочниках по акустике. На рис. 5. 2 (б) изображен принцип действия приемника – градиента давления и диаграмма его направленности.

• • • 2. МПГД. Если длина волны много больше размеров микрофона, то сила, действующая на диафрагму такого микрофона, составит (5. 11) где с – скорость звука в воздухе (с = 343 м/с при 20 С); d – разность хода между обеими сторонами диафрагмы; – угол между рабочей осью микрофона и направлением прихода звука (рис. 5. 3). Таким образом, сила в МПГД частотно зависима. На НЧ эта зависимость линейна, на ВЧ – приблизительно синусоидальна. Кроме того, на ВЧ, где размеры микрофона становятся сравнимыми с длиной волны, начинают сказываться частотно зависимые явления дифракции. Выражение (5. 11) справедливо, если МПГД находится в поле плоской звуковой волны. При нахождении же МПГД в поле сферической волны, т. е. вблизи источника, выражение (5. 11) приобретает вид (5. 12) где r – расстояние от источника до плоскости диафрагмы. Если микрофон ленточный, на диафрагму которого звуковое давление действует с обеих сторон, и он помещается вблизи источника, то на ВЧ он находится еще в поле плоской волны. Сила, действующая на него, будет пропорциональна частоте. На НЧ эта сила увеличивается по абсолютной величине и может стать частотно независимой. Поэтому микрофон будет “подчеркивать” НЧ, т. е. бубнить. 3. Асимметричный МПГД. Изменением конструкции микрофонов, в которых звуковое давление действует несимметрично на обе стороны диафрагмы, можно получить разнообразные формы характеристик направленности и добиваться их меньшей зависимости от частоты. Примеры асимметричных МПГД приведены на рис. 5. 4. На рис. 5. 4, а приведена обобщенная конструкция трубчатого МПГД. Из трубчатых приемников получили распространение два варианта. Первый вариант (рис. 5. 4, а) имеет несколько десятков тонких трубок 1 с длинами от нескольких см до метра и более. Эти трубки собирают в пучок: длинные по середине, короткие по наружной поверхности пучка. Концы трубок с одной стороны представляют срез 2, входящий в предкапсюльный объем 4. Микрофонный капсюль берут или динамического или электромагнитного типа МПД. Одинаковые приемники звука можно объединить в группы. К ним относятся групповые приемники рис 5. 4, б. Несколько микрофонов обычно располагают в ряд по прямой горизонтальной линии так, чтобы их оси были параллельны. Электрические выходы микрофонов соединяют последовательно в специальном смесителе.

• 5. 3. Направленные свойства микрофонов • Для суждения о направленных свойствах микрофонов чаще всего применяют такие параметры, как коэффициент направленности и отношение коэффициента направленности в передней и задней полусферах ф/т. Эти параметры определяют для микрофонов, направленность которых симметрична относительно оси Зная параметр , можно определить дальность действия микрофона, которая в раз больше, чем у обычного ненаправленного. Параметр ф/т показывает подавление помех от источников, расположенных сзади микрофона (например, в зале), по сравнению с источниками, расположенными перед микрофоном. Кроме описанных выше параметров, отображающих направленность микрофона, большим распространением пользуется такой параметр, выраженный в д. Б, как перепад чувствительности фронт-тыл. Как было отмечено выше, получить необходимую ХН микрофона можно путем изменения его конструкции. С -параметр , определяющий форму характеристики направленности( ХН) Сферическую ХН имеют МПД, но только на НЧ. Для получения круговой ХН и на ВЧ, хотя бы в горизонтальной плоскости, микрофон иногда располагают так, чтобы его ось была вертикальной. Для получения косинусоиды ХН применяют в основном МПГД (например, ленточные). • Рис. 5. 5. Двухвходовая конструкция микрофона • Для получения односторонних ХН в настоящее время используют микрофон, в котором два пространственно разнесенных входа с расстоянием между ними d (рис. 5. 5). В такой конструкции образуется сдвиг фазы звукового давления за счет разности давлений снаружи и запаздывающего действия давления РС по отношению к РА. В реальных конструкциях делают несколько таких входов, каждый для своей области частот так, чтобы расстояние уменьшалось по мере роста частоты. Для оперативного управления ХН у некоторых типов микрофонов имеется дистанционное управление ею путем переключения выходов составляющих микрофонов (встроенных в общий корпус) с различными ХН. • •

• Остронаправленные микрофоны (“пушки”) современной конструкции обычно состоят из капсюля микрофона, к которому примыкает множество трубок с отверстиями на конце, или со сплошной осевой прорезью. Отверстия или прорезь закрываются тканью. Типичным примером может служить асимметричный МПГД (рис. 5. 4, а). Чем большую остроту направленности хотят получить, тем больше должна быть длина трубки, так как острота направленности становится больше с увеличением отношения l/ , где l – длина трубки; – длина принимаемой звуковой волны. • Еще одной из важнейших задач при работе с микрофонами является их обеспечение шумозащищенности, которая достигается разными способами. • Простейший из них – размещение микрофона в непосредственной близости от источника полезного сигнала. При этом интенсивность полезного сигнала увеличивается, что приводит к повышению отношения ф/т. • Если микрофон и шум имеют различные амплитудно частотные спектры, то шумозащищенность может быть достигнута путем ограничения частотного диапазона наиболее важной частью спектра полезного сигнала. • Для далеких от микрофона источников полезного сигнала и пространственно распределенных источников помех эффективным является применение остронаправленных микрофонов – пушек, ориентированных на источник полезного сигнала.

• 5. 4. Электродинамические микрофоны • Устройство катушечного электродинамического микрофона показано на рис. 5. 6, а, и принцип действия состоит в следующем. В кольцевом зазоре 1 магнитной системы, имеющей постоянный магнит 2, находится подвижная катушка 3, скрепленная с диафрагмой 4. При воздействии на последнюю звуковым давлением она вместе с подвижной катушкой начинает колебаться. В витках катушки, находящихся в магнитном поле, при пересечении силовых линий, возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона: , (5. 17) где F – сила, действующая на диафрагму; Zм – механическое сопротивление механико акустической системы микрофона; Ri – внутреннее сопротивление катушки микрофона; Rн – сопротивление его нагрузки; l – длина проводника обмотки подвижной катушки. Электродинамический катушечный микрофон стабилен, имеет довольно широкий частотный диапазон в зависимости от класса сложности, сравнительно небольшую неравномерность частотной характеристики (рис. 5. 6, б). Эти микрофоны могут быть выполнены практически с любой ХН, но в основном применяются кардиоидные и ненаправленные микрофоны этого типа. Рис. 5. 6. Конструкция и частотная характеристика электродинамического микрофона б • • •

• • Катушечные (динамические) микрофоны без прорезей в корпусе и с одним капсюлем относятся к типу МПД. Микрофон имеет акустическую чувствительность F / p = (1 2) S, почти равномерную лишь с небольшим повышением к ВЧ. Для большинства микрофонов этого типа это наступает на частотах около 10 к. Гц. Для получения равномерной сквозной частотной характеристики микрофона u / p необходимо, чтобы механическая характеристика / F = 1 / Zм не зависела от частоты, это осуществляется применением сложной механической системы, имеющей ряд резонансов в передаваемом частотном диапазоне. Аналоговая электрическая схема рис. 5. 7 представляет собой Т – образное звено полосового фильтра, нагруженное на активное сопротивление rм 2, а rм 1 является внутренним сопротивлением источника. • Рис. 5. 7. Аналоговая электрическая схема динамического микрофона без прорезей в корпусе: m 1 – масса подвижной системы; m 2 – масса воздуха внутреннего объема; С 0 – гибкость воздуха в объеме под диафрагмой; С 1 – гибкость подвеса; С 2 – гибкость воздуха во внутреннем объеме; rм 2 – трение подвижной катушки • При соответствующем выборе соотношений между параметрами фильтра его частотная характеристика будет равномерной в диапазоне частот от резонансной частоты подвижной системы . до частоты Наряду с ненаправленными динамическими микрофонами выпускают комбинированные приемники, состоящие из двух капсюлей и обладающие односторонней направленностью. Расстояние между капсюлями подбирается так, чтобы при фронтальном падении звука вдоль оси микрофона сдвиг по фазе между звуковыми колебаниями, действующими на обе диафрагмы был близок к π, тогда ЭДС, развиваемые обеими катушками складываются и чувствительность микрофона в осевом направлении возрастает. Если звук падает на микрофон под углом π/2, то давление у обеих диафрагм совпадает по фазе и вследствие противофазного включения звуковых катушек их ЭДС вычитаются. Чувствительность микрофона к таким звуковым лучам резко падает. • • •

• • • • 5. 5. Ленточные микрофоны Рис. 5. 8. Ленточный электродинамический микрофон Устройство ленточного электродинамического микрофона отличается от устройства катушечной модификации рис. 5. 8. Магнитная система состоит из постоянного магнита 1 и полюсных наконечников 2, между которыми натянута легкая, обычно алюминиевая, тонкая (порядка 2 мкм) ленточка 3. При воздействии на обе стороны ее звукового давления возникает сила, под действием которой ленточка начинает колебаться, пересекая при этом силовые линии магнитного поля, вследствие чего на ее концах развивается напряжение. Так как сопротивление ленточки очень мало, то для уменьшения падения напряжения на соединительных проводах, соизмеримых с сопротивлением самой ленточки, напряжение, снимаемое с ленточки, подается на первичную обмотку повышающего трансформатора. Трансформатор размещается в непосредственной близости от ленточки. Напряжение на зажимах вторичной обмотки является выходным напряжением микрофона, которое рассчитывается так же, как и у катушечного микрофона по формуле (5. 17). Этот тип микрофона является МПГД. Осевая чувствительность микрофона определяется следующим выражением: где n – коэффициент трансформации повышающего трансформатора (равным 50 и более); В – индукция поля у ленточки; l – длина ленточки; а – расстояние между отверстиями, сделанными в полюсных наконечниках; См – гибкость ленточки; с – скорость звука; о – циклическая частота колебаний; S – площадь ленточки. Механическая характеристика микрофона / F = к / пропорциональна частоте, т. к. Zм м, где m – масса ленточки. Ленточка является самым уязвимым местом этого микрофона. Применение этих микрофонов на открытом воздухе недопустимо, т. к. при неосторожной перевозке или сильном дуновении ветра может повредиться ленточка. Ленточные микрофоны имеют примерно такие же показатели, что и катушечные динамические микрофоны, отличаются от последних только ХН, которая представляет из себя для обычного ленточного микрофона косинусоиду. Выпускаются также комбинированные ленточные приемники давления. Часть ленточки с тыльной стороны защищена от действия звуковых волн камерой с лабиринтом. Часть ленточки находится под действием разности давлений волн, приходящих с фронтальной и тыльной сторон, а другая часть – только под действием волн, приходящих с фронтальной стороны. Напряжения от обоих частей ленточки складываются арифметически. ХН такого микрофона имеет форму кардиоиды, если ленточка разделена пополам. Если ленточку разделить неравномерно, то получают либо суперкардиоиду, либо гиперкардиоиду. Соответствующий этому случаю микрофон имеет ограниченный снизу частотный диапазон и повышенную неравномерность частотной характеристики.

• • • 5. 6. Конденсаторные и электретные микрофоны Рис. 5. 9. Схема включения электростатического микрофона Для электроакустических трактов, для получения высокого качества передачи наибольшее распространение получили конденсаторные (электростатические) микрофоны. Принципиально он работает следующим образом (рис. 5. 9). Жестко натянутая мембрана 1 под воздействием звукового давления может колебаться относительно неподвижного электрода 2, являясь вместе с ним обкладками электрического конденсатора. При колебаниях мембраны емкость конденсатора меняется с частотой воздействующего звукового давления, появляется переменный ток той же частоты на нагрузочном резисторе и возникает падение напряжения на нем, являющееся выходным сигналом микрофона: , (5. 19) где d – зазор между диафрагмой и неподвижным электродом; Zi – внутреннее емкостное электрическое сопротивление микрофона. Для МПД акустическая чувствительность составит , где S – эффективная площадь мембраны. Для МПД конденсаторного типа, мембрана открыта только с одной стороны. Чтобы неравномерность электрической характеристики была небольшой, необходимо выполнить условие , где н – нижняя частота передаваемого частотного диапазона; Со – собственная емкость микрофона порядка 100 200 р. Ф. Так для нижней границы fн = 30 Гц необходимо Rн 50 МОм. Поскольку входное сопротивление усилителя должно быть больше сопротивления нагрузки в 10 – 20 раз, оно будет составлять тысячи мегаом. При таких высоких входных сопротивлениях получается относительно высокий уровень собственных шумов микрофона. Но поскольку шумы создаются преимущественно в области НЧ, то это облегчает применение этих микрофонов, т. к. на этих частотах музыкальные и речевые сигналы имеют достаточно высокие уровни.

• При недостатке конденсаторных микрофонов необходимо применять усилитель возле самого капсюля. Раньше это увеличивало размеры микрофона, с появлением полевых транзисторов это не вызывает особых конструктивных трудностей. • Комбинированные приемники. Наиболее распространенными конденсаторными микрофонами • являются микрофоны, комбинированные и двух несимметричных МПГД. В таком микрофоне массивный средний электрод общий для внешних мембран, обе пленки натянуты до возможного предела. В массивном электроде сделаны канавки для демпфирования (небольшие углубления) и сквозные каналы. Кроме того, в самом корпусе микрофона есть небольшое отверстие, затянутое гибкой пленкой, служащее для выравнивания атмосферного давления. В одном варианте поляризующее напряжение подают между неподвижным и одним из подвижных электродов. Другая мембрана в этом случае выполняет роль передатчика колебаний извне и внутренней стороне рабочей мембраны. Такой микрофон имеет кардиоидную ХН. Если подать поляризующее напряжение еще между второй мембраной и неподвижным электродом, то получим два микрофона, каждый с кардиоидной ХН. Из двух кардиоидных можно получить круговую ХН, косинусоидальную. Таким образом, простым переключением можно получить три типа ХН. Конденсаторные микрофоны имеют самые высокие качественные показатели: широкий частотный диапазон, малую неравномерность частотной характеристики, низкие нелинейные и переходные искажения, высокую чувствительность и низкий уровень шумов. Частотная характеристика конденсаторного микрофона показана на рис. 5. 10. • • Рис. 5. 10. Частотная характеристика конденсаторного микрофона: 1 – без демпфирования; 2 – с демпфированием • Электретные микрофоны, по существу те же конденсаторные, но постоянное напряжение для них • • • обеспечивается не обычным источником, а электрическим зарядом мембраны или неподвижного электрода, материалы которых отличаются тем, что способны сохранять этот заряд длительное время. Из-за высокого уровня шумов они не пригодны для вещательных систем и систем звуковоспроизведения высокого качества.

• • 5. 7. Пьезоэлектрические микрофоны Действие этих микрофонов основано на том, что звуковое давление воздействует непосредственно через диафрагму 1 и скрепленный с ней стержень 2 на пьезоэлектрический элемент 3 (рис. 5. 11). • Рис. 5. 11. Конструкция пьезоэлектрического микрофона • При деформации последнего на его обкладках вследствие пьезоэлектрического эффекта возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона: , (5. 20) • • • здесь, помимо перечисленных выше обозначений, kо – пьезоэлектрический коэффициент. Перспективы применения пьезоэлектрических микрофонов в последнее время расширились благодаря появлению используемых для диафрагм микрофонов и различных преобразователей новых синтетических пленочных материалов, обладающих ярко выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Выражение для коэффициента электромеханической связи для этих типов микрофонов имеет вид , (5. 21) где h – толщина пластины; l – ее длина. Этот тип микрофонов нашел достаточно широкое применение в технике измерений в качестве датчиков давления и механических деформаций. Основными недостатками пьезомикрофонов являются их высокое входное сопротивление (выше чем у конденсаторных) и большая неравномерность частотной характеристики.

• • 5. 9. Электромагнитный микро. ФОН Работает он следующим образом. Конструкция его в обобщенном виде представлена на рис. 5. 12. • . 5. 12. Электромагнитный микрофон • Перед полюсами (полюсными наконечниками) 2 магнита 3 располагают ферромагнитную диафрагму 1 или скрепленный с ней якорь. При колебаниях диафрагмы под воздействием на нее звукового давления меняется магнитное сопротивление системы, а значит, и магнитный поток через витки обмотки, намотанной на магнитопровод этой системы. Благодаря этому на зажимах обмотки возникает переменное напряжение звуковой частоты, являющееся выходным сигналом микрофона: , (5. 22) где Фо – магнитный поток, исходящий из полюса магнитной системы; d – зазор между полюсом и якорем; w – число витков обмотки. Электромагнитный микрофон стабилен в работе. Однако ему свойственны узкий частотный диапазон, большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения (рис. 5. 13). Этим и объясняется то, что область их применения достаточно узкая. Электрическая характеристика такого микрофона определяется индуктивностью катушек, поэтому внутреннее сопротивление Zi в передаваемом диапазоне частот растет пропорционально частоте. Коэффициент связи определяем по формуле , где Во – индукция в зазоре; L – индуктивность катушки. Электромагнитный микрофон типа МПГД. Предназначен только для передачи речи по системам связи, оповещения, диспетчерских систем, т. е. там, где высок уровень шумов. У такого микрофона акустическая, механическая и магнитная системы являются дифференциальными: в корпусе такого микрофона два кольцевых магнита со своими полюсными наконечниками и катушками на них. С обоих сторон натягиваются мембраны. Катушки соединяются между собой последовательно и индуктируемые напряжения в катушках складываются арифметически. • • • Рис. 5. 13. Частотная характеристика электромагнитного микрофона Имеется также МПГД второго порядка электромагнитного типа – он составлен из двух МПГД с дифференциальным включением. Также микрофоны обладают высокой шумостойкостью и могут работать в условиях шумов с уровнем до 120 д. Б.

• • • 5. 10. Угольный микрофон Является самым ранним типом микрофона. В последующем появились электромагнитный и все другие типы микрофонов. Угольный микрофон рис. 5. 14 работает следующим образом. При воздействии звукового давления на его диафрагму 1 она начинает колебаться. В такт этим колебаниям начинает изменяться сила сжатия зерен угольного порошка 2, в связи с чем изменяется сопротивление между электродами 3 и 4, а при постоянном электрическом напряжении изменяется и ток через микрофон. В результате этого на зажимах вторичной обмотки трансформатора будет возникать переменное напряжение, форма кривой которого будет отображать форму кривой звукового давления, воздействующего на диафрагму угольного микрофона: • • Рис. 5. 14. Конструкция угольного микрофона , • где k – отношение коэффициента модуляции к величине смещения диафрагмы; F – сила, действующая на диафрагму микрофона; uо – приложенное к микрофону постоянное напряжение; n – коэффициент трансформации. Чем больше постоянная составляющая через микрофон, тем больше чувствительность микрофона. В частотном диапазоне 400 – 2500 Гц угольный микрофон имеет частотную характеристику, близкую к оптимальной для передачи речи. Основное преимущество угольного микрофона – высокая чувствительность, позволяющая его использовать без усилителей. Недостатки – нестабильность работы; шум из-за того, что полезный электрический сигнал вырабатывается при разрыве и восстановлении контактов между угольными зернами; большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения. Эти недостатки угольного микрофона привели к тому, что всюду, где требуется высокое качество преобразования, например, в радиовещании, при звукозаписи и измерениях, его давно уже не применяют. Иногда угольные микрофоны заменяют на электромагнитные с усилителями на интегральных схемах, которые по габаритам, питанию и отдаче мощности такие же, как и угольные, но по качеству звучания превосходят. • • •

• 5. 11. Ларингофон • Ларингофоны, т. е. гортанные микрофоны предназначены для приема речи через колебания тканей шеи, расположенных около гортани. Принимаются не акустические волны, а механические колебания стенок речевого тракта. Все существующие ларингофоны основаны на инерционном принципе действия. Электромагнитный ларингофон рис. 5. 15 вместо диафрагмы имеет плоскую прямоугольную пластину 1. Пластинка крепится в средней точке на корпусе 2 и фиксируется относительно магнитной системы 3 с обоих концов. Магнитная система состоит из двух плоских магнитов 4, одного фланца 5, керна 6 и пластинки 1. Между срезом керна и пластиной имеется небольшой воздушный зазор 8. На керне находится катушка 7. • • Рис. 5. 15. Электромагнитный ларингофон : • Механическая система представляет собой массу (магнитная цель и катушка) и гибкость (гибкость пластины). Сила приложена к этой пластине. Аналоговая электрическая схема представляет собой контур из индуктивности и емкости, соединенных параллельно. Механические колебания стенок гортани приводят в движение корпус ларингофона. По инерции масса колеблется в противофазе, поэтому зазор меняется в такт механическим колебаниям гортани. Изменение зазора влечет за собой изменение магнитного потока. В результате в катушке индуцируется ЭДС. Высокочастотные звуки ларингофоном передаются плохо, их частотный диапазон ограничен сверху в 3000 Гц. Практически все ларингофоны используются попарно, будучи прижаты к горлу с двух сторон. Электрически при этом они соединяются последовательно. Ларингофоны имеют примерно такую же чувствительность, как и электромагнитные микрофоны, и могут работать в условиях шумов до 130 д. Б. • • •

• • • • 5. 12. Радиомикрофоны В практике звукоусиления довольно большое распространение получили радиомикрофоны. Их преимущество перед обычными микрофонами в том, что при работе с ними исполнитель не связан при своем перемещении по эстраде или сцене микрофонным кабелем. Это дает большую свободу перемещения, так как микрофон, который исполнитель держит в руке или который крепится к одежде, снабжен радиопередатчиком, работающим на находящийся поблизости (например, в помещении аппаратной) радиоприемник, выходное напряжение которого уже используется обычным образом. Комплект аппаратуры “передатчик – приемник” рассчитан на работу на одной из четырех фиксированных частот: 161, 1; 163, 75; 166, 5; 167, 15 МГц. При этом можно одновременно вести работу на двух каналах с разносом несущих частот 1, 5 МГц. 5. 13. Техническая эксплуатация микрофонов При работе микрофон крепят на специальной стойке или подвесе. В репортажных условиях микрофоны снабжают ручкой, позволяющей ведущему передачи держать микрофон на расстоянии до 1, 5 м. Микрофоны очень чувствительны к малейшим толчкам, вибрациям, сотрясениям, которые могут возникать там, где установлен микрофон. Поэтому микрофон должен быть надежно амортизирован. Конденсаторные микрофоны во время работы находятся под напряжением, поэтому двигать, передвигать и переносить их рекомендуется при отключенном питании. Располагать конденсаторные и ленточные микрофоны, их соединительные провода следует возможно дальше от сети и кабелей переменного тока промышленной частоты. Использование микрофонов на открытых местах, в больших концертных залах сопряжено с возможностью появления значительных шумовых помех. Поэтому, часто для защиты одевают противоветровые экраны (поролон), надеваемые на звукоприемную часть микрофонов. Также следует предохранять микрофоны от повышенной влажности воздуха. Следует иметь в виду то, что повышенная влажность воздуха вызывает снижение чувствительности и повышение уровня шумов. Ни в коем случае нельзя дуть в микрофон (особенно в ленточный) или стучать по его корпусу. Достаточно сказать несколько слов на расстоянии 10… 15 см от микрофона для проверки его работоспособности. При использовании микрофонов для местного звукоусиления применяют микрофоны с односторонней направленностью. Прямой звук от громкоговорителя не должен попадать в микрофон с фронтальной стороны. В противном случае возникают помехи в виде генерации звука, а также необходимо оптимально подобрать усиление всего звукопередающего тракта. .

Тема 4. Громкоговорители и телефоны Лекция 4. Громкоговорители. 1. Классификация громкоговорителей. ( Электродинамические , конденсаторные, пьезоэлектрические, электромагнитные громкоговорители). 2. . Принцип работы громкоговорителей. Возможно несколько способов преобразования электрических колебаний в механические. Наиболее распространенными являются такие способы преобразования: электромагнитный, электростатический, пьезоэлектрический, электродинамический 3. Громкоговорящие акустические системы. . Диффузорные электродинамические громкоговорители. ( Принцип работы и устройство. Зависимость полного электрического сопротивления громкоговорителя от частоты). Акустическое оформление громкоговорителей. 1 Электроакустические показатели громкоговорителей. ( Частотные и нелинейные искажения. Распространенный вид акустического оформления). ). 2 Фазоинвертор. ( Корпус с фазоинвертором. Зависимость входного сопротивления от частоты: громкоговорителя и громкоговорителя с фазоинвертором

• • • 6. ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ И ТЕЛЕФОНЫ . 6. 1. Определения и классификация Громкоговоритель и телефон это устройства для преобразования электрических колебаний в звуковые, акустические колебания воздушной среды. Поскольку громкоговорители и телефоны являются последовательными звеньями любого радиовещательного тракта или линии связи, то их свойства оказывают решающее влияние на его качество работы в целом. По способу преобразования громкоговорители и телефоны подразделяются на электромагнитные (в основном телефоны), электродинамические катушечные, изодинамические, электростатические, пьезоэлектрические, релейные. По виду излучения звука громкоговорители подразделяют на громкоговорители непосредственного излучения (диффузорные, куполообразные, ленточные) и рупорные. По потребляемой электрической мощности различают: мощные и маломощные. громкоговоритель устройство для эффективного излучения звука в окружающее пространство в воздушной среде, содержащее одну или несколько головок громкоговорителей, необходимое акустическое оформление, необходимые электрические устройства (фильтры, трансформаторы, регуляторы и т. п. ); Диффузорные громкоговорители (ДГ) с такими пассивными элементами, как трансформаторы, разделительные фильтры, аттенюаторы образуют акустическое излучение системы (АС). рупорный громкоговоритель, акустическим оформлением которого является рупор; . акустическое оформление конструктивный элемент громкоговорителя, обеспечивающий эффективное излучение звука (акустический экран, ящик, рупор и т. п. ); пассивный громкоговоритель, не увеличивающий энергию электрического сигнала, поступающего на вход; ; Телефоны предназначены для работы непосредственно на объем слухового канала и не являются излучающими системами, поэтому их характеристики несколько отличаются от характеристик громкоговорителей

• • 6. 2. Основные характеристики громкоговорителей Работа громкоговорителей оценивается с помощью следующих технических показателей. 1. Номинальная мощность Pном максимальная подводимая электрическая мощность, ограниченная тепловой и механической прочностью громкоговорителя и возникновением нелинейных искажений, превышающих заданную величину. Громкоговоритель не должен выходить из строя при длительном воздействии этой мощности. 2. Максимальная кратковременная (пиковая) мощность Pп электрическая мощность сигнала в заданном диапазоне частот, которую громкоговоритель выдерживает без повреждения и необратимых механических процессов в течение 1 с (испытания повторяют 60 раз с интервалом в 1 мин. ). 3. Частотная характеристика громкоговорителя по звуковому давлению зависимость звукового давления, развиваемого громкоговорителем в течение свободного поля от частоты, при постоянном напряжении на зажимах громкоговорителя. 4. Неравномерность частотной характеристики и эффективно воспроизводимый диапазон частот определяются по частотной характеристике, снятой на рабочей оси. 5. Среднее звуковое давление Pср среднеквадратичное значение звукового давления, развиваемого громкоговорителем в определенном диапазоне частот в заданной точке свободного поля. Усредняют значения звукового давления, измеренные на частотах, распределенных равномерно в логарифмическом масштабе. 6. Среднее стандартное звуковое давление Pст среднее звуковое давление, развиваемое в номинальном диапазоне частот на рабочей оси на расстоянии 1 м от рабочего центра при подведении к громкоговорителю напряжения, соответствующего подводимой электрической мощности 0, 1 Вт.

• 7. Характеристическая чувствительность Ех • 8. Входное сопротивление громкоговорителя zвх. • 9. Характеристика направленности зависимость звукового давления P , развиваемого громкоговорителем в точке свободного поля, от угла между рабочей осью громкоговорителя и направлением на указанную точку: • 11. Акустическая мощность Pа. Это поток энергии через всю сферическую поверхность излучателя, и определяется для направленного громкоговорителя: • 12. Коэффициент нелинейных искажений. Измеряют для ряда заданных частот при подведении к громкоговорителю номинальной рабочей мощности синусоидального сигнала. • 13. КПД громкоговорителя. • 14. Призвук нелинейные искажения, возникающие при возбуждении громкоговорителя синусоидальным сигналом. Субъективно (на слух) воспринимается как тон (группа тонов), звучащий одновременно с тоном частоты возбуждения. • 15. Дребезжание нелинейные искажения, возникающие при возбуждении синусоидальным сигналом громкоговорителя, имеющего механические дефекты. Субъективно (на слух) воспринимается как неприятный звук, не имеющий выраженной тональной окраски. •

• • • 6. 3. Принцип работы громкоговорителей Возможно несколько способов преобразования электрических колебаний в механические. Наиболее распространенными являются такие способы преобразования: электромагнитный, электростатический, пьезоэлектрический, электродинамический. Все эти способы преобразования электрической энергии в механическую были рассмотрены выше в разделе электромеханических преобразователей-двигателей. В радиотехнической аппаратуре и аппаратуре звукового кино наиболее широко применяются электродинамические громкоговорители. Поэтому остановимся в дальнейшем на этом способе преобразования колебаний, вспомнив и кратко пояснив действие остальных преобразователей. Действие электромагнитного громкоговорителя (рис. 4. 5, б) основано на использовании силы притяжения якоря из ферромагнитного материала электромагнитом, возбуждаемым током звуковой частоты. Чтобы колебания якоря преобразовать в звуковые, с ним жестко связывают диафрагму. Эти громкоговорители вносят значительные частотные и нелинейные искажения, чем и объясняется тот факт, что они вышли из применения в настоящее время. Этот тип громкоговорителя был широко распространен в 30 е гг. в нашей стране. Основой действия пьезоэлектрических громкоговорителей является пьезоэлектрический эффект (рис. 4. 4, б), т. е. возникновение механических колебаний пьезоэлемента, выполненного в виде пластины, вырезанной из определенных материалов, при изменении напряжения на гранях пьезоэлемента. Недостатком пьезоэлектрических громкоговорителей является их малая надежность, а также невысокие качественные показатели.

• • • Релейный громкоговоритель. По другому он называется пневматическим. Работа на на принципе модуляции постоянного потока воздуха. Для его работы требуется компрессор, сжатый воздух из которого подводится к колеблющейся заслонке. Для приведения последней в колебательное состояние применяют возбудитель, например в виде электродинамического преобразователя, подобного головке динамического громкоговорителя. Постоянный поток воздуха замыкается около громкоговорителя, а переменное давление в виде звуковых волн распространяется вдаль. Такой громкоговоритель дает большие нелинейные искажения и с его помощью можно создать большие уровни сигналов. Чаще всего применяются для систем оповещения. Электростатические громкоговорители. В них механические колебания возникают при изменении силы электростатического притяжения между двумя металлическими пластинами при изменении их потенциала (рис. 4. 3, б). Одну пластину неподвижно закрепляют, а другая, легкая, подвижно закрепленная, выполняет роль диафрагмы. Достоинством этих громкоговорителей является возможность значительного уменьшения массы колебательной системы, что способствует улучшению воспроизведения ВЧ. Надежность их невысокая, но качество получаемого звука достаточно высоко. Эти громкоговорители используют, как правило, в качестве высокочастотных элементов акустических систем. Имеются громкоговорители электростатического типа и на широкий диапазон частот, но производство их очень дорого. У электродинамических громкоговорителей преобразование электрической энергии в механические колебания возникает за счет взаимодействия проводника с током и постоянного магнитного поля (рис. 4. 2, б). Преимуществом электродинамических громкоговорителей является их эксплуатационная надежность и сравнительно невысокая, по сравнению с электростатическими, стоимость. Они допускают значительные перегрузки, могут работать практически в любых условиях: в широком диапазоне температур и влажности воздуха; обладают значительной (по сравнению с электромагнитным, пьезоэлектрическим и электростатическим) механической прочностью. А также имеют небольшие частотные искажения при достаточном качестве звучания. Эти достоинства и обусловили их широкое применение.

• • • 6. 4. Устройство диффузорного электродинамического громкоговорителя Все детали этого типа громкоговорителя можно подразделить на три основные группы: подвижная, магнитная и вспомогательная системы (рис. 6. 1). Подвижная система состоит из звуковой катушки, выполняющей роль витка с током, помещенного в магнитное поле; диффузора 2, являющегося излучателем звука; гофрированного кольца 3 и центрирующей шайбы 4, предназначенных для упругого подвешивания подвижной системы, причем эти элементы должны допускать свободное перемещение подвижной системы в осевом направлении и противодействовать радиальному смещению звуковой катушки. • Рис. 6. 1. Диффузорный электродинамический громкоговоритель • Магнитная система состоит из постоянного магнита 5, имеющего форму кольца, и магнитопровода, выполненного из магнитомягкого материала, состоящего из нижнего 6 и верхнего 7 фланцев и керна 8. Вспомогательная система. Детали, входящие в нее, предназначены для соединения отдельных узлов и элементов громкоговорителя. Основным элементом этой системы является диффузородержатель 9, соединяющий между собой магнитную и подвижную системы. Он жестко крепится к верхнему фланцу 7. К диффузородержателю прикрепляется гофрированное кольцо (гофр) и также посредством шайбодержателя 10 крепится наружный край центрирующей шайбы. На элементе 9 также фиксируются изолированные от него контакты 11, к которым гибкими многожильными проводами 12 подключают выводы звуковой катушки. К вспомогательной системе относятся также крепежные детали, кольца, прокладки, с помощью которых детали крепятся друг к другу, а также к устройству, служащему оформлением громкоговорителя. •

• • • При работе головки большое значение имеет тепловой режим громкоговорителя. Звуковая катушка должна обладать тепловой прочностью, т. е. не должна деформироваться при повышении мощности до пикового значения. Обычно отвод тепла от звуковой катушки осуществляется хорошо, Наибольшее распространение получили литые диффузоры. Технология их изготовления сводится к тому, что определенная порция специально подобранной бумажной массы, разбавленной водой, выливается на литейную мелкую сетку. После отливки сетку с осажденной бумажной массой снимают с матрицы и подвергают сушке и дальнейшей обработке. Достоинство таких диффузоров в том, что им может быть придана любая объемная форма и нужная толщина. Для лучшего воспроизведения ВЧ применяют более жесткие диффузоры сорта целлюлозы, толщину диффузора делают неодинаковой, увеличивая от основания конуса к ее вершине. . Для снижения частоты резонанса увеличивают гибкость гофра, что достигается выбором его формы, смазкой подвеса специальными пластификаторами. В большинстве громкоговорителей применяется двух или трехзвенный гофр, который отливается вместе с диффузором. Существует два типа центрирующих шайб: паучковые и гофрированные. Паучковые штампуются из тонкого текстолита. Их достоинство: высокая механическая прочность и постоянство гибкости при длительной эксплуатации. Недостаток: шайба имеет различную толщину, отсюда неодинаковая гибкость лепестков и возможный перенос катушки. Гофрированные находят наибольшее применение, т. к. обладают большой гибкостью в осевом направлении и малой в радиальном направлении изгиба.

• • 6. 5. Электроакустические показатели диффузорных громкоговорителей Собственное сопротивление звуковой катушки z 0 состоит из активного и индуктивного сопротивлений. Активное сопротивление зависит от диаметра и длины провода, которым намотана звуковая катушка. Индуктивное сопротивление обусловлено наведением в звуковой катушке ЭДС самоиндукции при изменении тока в катушке. Оно зависит от числа витков катушки и от частоты подводимого к ней напряжения U. При работе громкоговорителя звуковая катушка колеблется в магнитном поле. Сопротивление подвижной звуковой катушки возрастает на величину , которая получила название внесенного сопротивления zвн. . Внесенное сопротивление обусловлено ЭДС индукции, наводимой в подвижной звуковой катушке: . Полное электрическое сопротивление катушки z = z 0+zвн – важный показатель работы громкоговорителя, т. к. определяет сопротивление нагрузки для оконечного каскада усилителя. Зависимость полного электрического сопротивления от частоты показана на рис. 6. 2. Индуктивность звуковой катушки на НЧ невелика и катушка обладает активным сопротивлением, не зависящим от частоты. На СЧ и ВЧ, индуктивное сопротивление возрастает, поэтому увеличивается и собственное сопротивление катушки. Рис. 6. 2. Зависимость полного электрического сопротивления громкоговорителя от частоты

• • • Внесенное сопротивление зависит от колебательной скорости подвижной системы громкоговорителя, а значит от ее механического сопротивления. На частоте механического резонанса f 0 механическое сопротивление минимально и равно активному сопротивлению подвижной системы. Колебательная скорость на частоте f 0 достигает наибольшего значения, поэтому максимально и внесенное сопротивление. При понижении и повышении частоты относительно частоты f 0 механическое сопротивление возрастает, колебательная скорость, а следовательно, и внесенное сопротивление уменьшаются. На частоте f 1 ЭДС самоиндукции и ЭДС индукции, наводимые в звуковой катушке равны по величине и почти противоположны по фазе. Они компенсируют друга, поэтому полное сопротивление громкоговорителя достигает минимального значения. Частота f 1 называется частотой электромеханического резонанса. Полное электрическое сопротивление на этой частоте не принято называть номинальным. Оно немного превышает сопротивление звуковой катушки постоянному току. Поэтому усилитель рассчитывают на номинальное сопротивление громкоговорителя. Неравномерность частотной характеристики полного сопротивления при НЧ уменьшается при использовании фазоинвертора. Внутреннее сопротивление громкоговорителей обычно составляет несколько Ом. Для его согласования с сопротивлением приемника, трансляционной линии и т. п. применяют трансформаторы. При этом входное сопротивление громкоговорителей с трансформатором определяется номинальным напряжением источника и номинальной мощностью громкоговорителя: . К диффузорным громкоговорителям электродинамического типа можно отнести также и электродинамические ленточные громкоговорители. Они рассчитаны на диапазон частот от 2 до 30 к. Гц. По конструкции сходны с ленточным микрофоном, но имеют большую поверхность излучателя (ленточки).

6. 6. Акустическое оформление громкоговорителей 1. Наиболее простой вид оформления плоский экран. Даже при сравнительно небольших его размерах воспроизведение НЧ заметно улучшается. В области СЧ и особенно ВЧ, действие его уже не оказывает существенного влияния. Конструктивно экран рекомендуется выполнять в виде толстой доски или фанеры толщиной 10. . . 20 мм, в которой вырезано отверстие по диаметру диффузородержателя. Экран лучше всего делать прямоугольной формы с предпочтительным отношением сторон (ширина к высоте) от 2: 1 до 3: 1. Поршневое действие диффузорного громкоговорителя будет наблюдаться до частоты механического резонанса f 0 (рис. 6. 2), которая определяется из выражения , где S площадь диффузора. . Чтобы найти площадь экрана, находят эквивалентную площадь круга, диаметр которого равен , (6. 11) где 0 длина звуковой волны на частоте f 0; Q добротность громкоговорителя на частоте f 0 (лежит в пределах от 1 до 2 и зависит от диаметра диффузора (см. также раздел Электроакустические аналоги)).

. Размещают головку громкоговорителя в центре экрана. Смещение от центра уменьшает развиваемое звуковое давление и ухудшает частотную характеристику. Для квадратных экранов некоторое смещение (на 1/4 D 1/3 D) места установки головки несколько улучшает частотную характеристику, хотя одновременно снижает уровень звукового давления. Хорошим конструктивным решением является применение стены в виде акустического экрана, но при этом не надо забывать, что звучание будет и в той комнате, куда выходит задняя сторона головки громкоговорителя, что, конечно, не всегда желательно. Если такое решение возможно, особенно в больших залах, то оно дает заметное улучшение частотной характеристики и качество звучания, особенно на НЧ. При этом сзади головки делают углубление в виде полусферы, причем диаметр ее берут несколько больше диаметра диффузора. 2. Распространенный вид акустического оформления открытый корпус. Представляет собой ящик, у которого задняя стенка или полностью отсутствует или имеет ряд сквозных отверстий. Такая конструкция по акустическому действию подобна действию плоского экрана. Здесь учитывают следующее. Наибольшее влияние на частотную характеристику оказывают передняя стенка (на которой смонтированы головки) и ее размеры. Боковые стенки практически не влияют на характеристику акустической системы. Таким образом, важен не внутренний объем, а площадь передней стенки, которая рассчитывается с учетом требований, изложенных выше для плоского экрана.

3. Корпус с лабиринтом. Один из возможных вариантов приведен на рис. 6. 3. Задняя сторона диффузора работает на образованный рядом перегородок лабиринт зигзагообразный звукопровод. Второй конец лабиринта является выходным отверстием. Поперечное сечение лабиринта обычно прямоугольное или круглое. Рис. 6. 3. Корпус с лабиринтом Подобное акустическое оформление было предложено для того, чтобы избежать акустического «короткого замыкания» на НЧ. Подобная конструкция является довольно громоздкой и редко применяется, несмотря на то, что дает неплохие результаты. 4. Очень большое распространение в последние годы получили закрытые системы. Преимущество их в том, что задняя поверхность диффузора не излучает, и, таким образом, полностью отсутствует акустическое «короткое замыкание» . Однако такие системы имеют и недостаток при колебаниях диффузора он должен преодолевать дополнительную упругость воздуха в объеме ящика. Это приводит к тому, что повышается основная резонансная частота всей системы, в результате чего ухудшается воспроизведение НЧ. Чтобы резонансная частота f 0 все же не была чрезмерно высокой (порядка 100 150 Гц), применяют головки громкоговорителей с тяжелой подвесной системой, и резонансная частота такой системы составит

Следует учитывать, что увеличение массы подвижной системы влечет за собой понижение чувствительности всей системы в целом, т. е. худшее воспроизведение СЧ, и особенно ВЧ. Стандартное звуковое давление для таких систем определяется как , где f 01 резонансная частота системы (вычисляется по (6. 13)); Q добротность всей системы на частоте f 01. Величину Q не рекомендуется выбирать выше 0, 7. . . 1, Это значит, что при ее возбуждении, т. е. при подаче на нее музыкальной или речевой программы, она, помимо того, чтобы колебаться в такт с этим напряжением, начнет колебаться с частотой собственных колебаний, близких к f 01. Для слушателя это будет проявляться в том, что к звучанию программы будет примешиваться своего рода «гудение» . Будут иметь место своеобразные частотные искажения, носящие название переходных. Эти искажения плохо слышны, пока Q < 1. Так же не следует брать Q<0, 7, т. к. чем меньше добротность, тем больше будет спад частотной характеристики в области НЧ. Конструктивно закрытые системы надо выполнять без щелей и отверстий, наличие которых частично превращает закрытую систему в открытую. И чем больше щелей и отверстий, тем больше будет сходство. Что касается установки головки и толщины стенок, то тут должны соблюдаться те же требования, что были рассмотрены в открытых системах.

• • • Для того чтобы уменьшить резонансные явления внутри оформления, ящик внутри покрывают звукопоглощающим материалом. Наиболее доступный материал хлопчатобумажная вата, которую свободно заворачивают в ткань и без натяжки обивают внутри ящика. 5. Корпус с фазоинвертором. При использовании акустического экрана и открытого экранного ящика на НЧ происходит интерференция прямой и обратной волн, уменьшающая излучаемую энергию. При колебании излучателя в стенке закрытого ящика это явление устраняется, но энергия оборотной волны не используется. Наиболее удачным устройством, позволяющим не только устранить дифракцию звука у излучателя, но и, повернув фазу оборотной волны, использовать ее энергию, является фазоинвертор. Фазоинвертор (рис. 6. 4, а) представляет собой экранный ящик, в передней стенке которого имеются два отверстия: одно для размещения излучателя, другое для выхода оборотной волны. Фазоинвертор и излучатель представляют собой две связанные колебательные системы (рис. 6. 4, б). Здесь m 1 масса излучателя; r 1 активное сопротивление, оказываемое движению поршня; C 1 гибкость воротника головки; m 2 масса воздуха в свободном отверстии; r 2 сопротивление излучения, возникающее при движении воздуха в свободном отверстии; C 2 гибкость воздуха в ящике. На рис. 6. 4, в представлена схема электроакустического аналога системы. • в • • • Рис. 6. 4. Акустическая система с фазоинвертор: а – конструкция; б – механический аналог; в – электрический аналог.

• • Отверстие в объеме ящика представляет собой резонатор с параллельным соединением гибкости ящика C 2 с массой m 2 и активным сопротивлением r 2 (рис. 6. 4, в). Частоту резонанса этого контура подбирают равной частоте механического резонанса подвижной системы f 0 (без учета гибкости объема воздуха в ящике C 2). Контур, образованный элементами C 2, m 2, r 2, представляет собой фильтр пробку. Второй резонанс образует элементы последовательного резонансного контура m 1, r 1, C 1. Поэтому входное сопротивление громкоговорителя будет иметь провал на частоте механического резонанса f 0 и два максимума выше и ниже его (рис. 6. 5. ). Нижний резонанс на частоте f 1 < f 0 определяется элементами m 1, r 1, C 1. Верхний резонанс f 1 > f 0 элементами m 2, r 2, C 2. Появление резонанса на частоте f 1 еще несколько сдвигает нижнюю границу передаваемого диапазона. Кроме того, на частоте f 1 скорость колебаний в отверстии ящика будет находиться в фазе со скоростью колебаний лицевой поверхности диффузора. В результате этого, тыльное излучение диффузора доставляется к лицевому излучению, т. к. фаза между тыльным и лицевым излучением примерно 180. На частоте f 0 фаза между ними составляет 90. На частоте f 1 уже никакой добавки нет. Поэтому фазоинвертор повышает чувствительность громкоговорителя преимущественно на частотах выше частоты механического резонанса • • • . Рис. 6. 5. Зависимость входного сопротивления от частоты: 1 – громкоговорителя; 2 – громкоговорителя с фазоинвертором

• • • Частотная характеристика диффузорных громкоговорителей имеет значительную неравномерность (характеристика очень изрезана имеет много провалов и подъемов). Причиной спада частотной характеристики на НЧ является интерференция прямой и обратной волн, происходящая вследствие огибания звуковыми волнами громкоговорителя. Как указывалось выше, это явление устраняется частично применением закрытого ящика и почти полностью применением фазоинвертора. Углы ящика мощных систем могут быть скошены, что необходимо для улучшения частотной характеристики на ВЧ и связано с влиянием отраженных от стенок ящика звуковых волн. Боковые стенки ящика желательно делать непараллельными. Это также делается для ослабления влияния распространяющихся внутри ящика отраженных волн. Неравномерность частотной характеристики громкоговорителя на ВЧ и СЧ вызывается тем, что колебания диффузора можно рассматривать как мембрану с различными участками гибкости, фаз колебаний между соседними участками. Рассматриваемое явление усложняется тем, что распространяющиеся вдоль образующей диффузора поперечные колебания отражаются от основания, где диффузор крепится к диффузородержателю. Интерференция прямой и отраженной волн приводит к образованию стоячей волны и на поверхности диффузора образуются узловые зоны, по обе стороны которых колебания участков поверхности совершаются в противофазе. Положение узловых зон зависит от частоты колебаний. В результате сложения колебаний, излучаемых различными участками поверхности диффузора, суммарное звуковое давление изменяется, отчего и появляются пики и провалы частотной характеристики. • • 6. 7. Частотные и нелинейные искажения

Для уменьшения частотных искажений на ВЧ специально подбирают состав бумажной массы, из которой отливают диффузор (см. п. 6. 4 Устройство диффузорных громкоговорителей). В результате этого, поперечные колебания, распространяющиеся вдоль образующей диффузора, затухают, и амплитуда колебаний уменьшается от вершины к основанию диффузора. Это убывание происходит тем быстрее, чем выше частота. Другой причиной частотных искажений на ВЧ является увеличение индуктивного сопротивления, что, как указывалось раньше, приводит к рассогласованию усилителя и громкоговорителя. Искажения уменьшаются при использовании насадки на керн в виде тонкостенного медного или латунного колпачка. Чтобы при работе диффузорного громкоговорителя не возникали нелинейные искажения, звуковое давление, создаваемое громкоговорителем, должно изменяться во времени по тому же закону, что и ток в звуковой катушке. Выполнению этого условия препятствует ряд причин, связанных с конструктивными особенностями диффузорного громкоговорителя. Одной из таких причин является непостоянство магнитной индукции в кольцевом зазоре магнитопровода. Зазор имеет конечную высоту, поэтому магнитное поле в зазоре неоднородное. Величина магнитной индукции максимальна в центре зазора и уменьшается у ее краев. В результате при движении звуковой катушки нарушается прямая пропорциональность между электродинамической силой F и величиной тока I в звуковой катушке, что и приводит к нелинейным искажениям. . Искажения возрастают при увеличении амплитуды колебаний, т. к. в этом случае катушка сильнее смещается к краям зазора. Особенно заметны нелинейные искажения, вызванные неоднородностью магнитного поля, при воспроизведении сложного сигнала, состоящего из гармоники нижних и верхних частот. На нижних частотах подвижная система колеблется с большой амплитудой, чем на ВЧ. Поэтому в те моменты времени, когда звуковая катушка значительно смещается относительно центра зазора, величина средней магнитной индукции, действующей на звуковую катушку, уменьшается и колебание ВЧ, воспроизводимое одновременно с НЧ сигналом, ослабляется. Когда же катушка пересекает центр зазора, средняя магнитная индукция возрастает, и ВЧ колебание усиливается. Таким образом, ВЧ колебание модулируется НЧ сигналом.

• • Другой причиной нелинейных искажений, возникающих при работе громкоговорителя, является нелинейность подвеса подвижной системы. Это означает, что при увеличении смещения подвижной системы нарушается прямая пропорциональность между силой упругости, возникающей при деформации центрирующей шайбы и гофра, и смещением системы. Возрастание силы упругости приводит к искажению формы воспроизводимых колебаний. Появляется колебание 3 й гармоники. Применение латексного подвеса (специальный сорт резины) позволяет практически избавиться от этих призвуков. Еще одной причиной искажений являются колебания диффузора под действием продольной составляющей электродинамической силы. У основания посредством гофра диффузор крепится к диффузородержателю. Если продольная сила направлена к основанию корпуса (действует на сжатие), то при достаточной величине этой силы образующая поверхность диффузора прогибается то вовнутрь, то наружу, образуя дополнительный период колебаний. Следовательно, образующая диффузора совершает одно полное колебание за два периода приложенной силы. Образуются колебания, основная частота которых в два раза ниже частоты подводимых колебаний. Возникающие при этом искажения называются параметрическими. Для уменьшения этих искажений выполняют диффузор с криволинейной образующей в виде отрезка дуги большого радиуса с изгибом наружу. В этом случае образующая диффузора может прогибаться только в одну сторону в сторону уже имеющегося изгиба.

6. 8. Устройство рупорного электродинамического громкоговорителя Головка рупорного электродинамического громкоговорителя (рис. 6. 6) принципиально отличается от диффузорного громкоговорителя устройством подвижной системы. Излучателем звука является куполообразная диафрагма 1 (выбор формы купола связан с тем, что такая форма является наиболее жесткой). Диафрагма имеет цилиндрическую отбортовку, которая является каркасом звуковой катушки 2. Звуковая катушка обычно двухслойная, намотана тонким медным проводом в изоляции. Подвесом является плоский воротник с тангенциальным гофром 3. Воротник или подклеивается к диафрагме, или чаще всего штампуется с ней как единое целое. По окружности наружного края воротник имеет плоское кольцо. Подвижная система выполняется из алюминиевой фольги, которая иногда заменяется лавсаном. Рис. 6. 6. Конструкция рупорного электродинамического громкоговорителя Магнитная система является кернового типа и состоит из постоянного магнита 4, фланца 5, наконечника керна 6 и скобы 7. Особенностью магнитной системы является то, что магнит выполнен полым, внутрь его вставляется втулка 8 из слабомагнитного материала, запрессованная в скобе 7. Наконечник керна имеет конусную расточку, в которой помещается вкладыш 9. Вкладыш состоит из двух конусов, имеющих куполообразное основание. Наружный конус полый, внутри находится второй конус сплошной. Оба конуса соединяются между собой посредством металлической дужки, выполненной из того же слабомагнитного материала, что и конусы, и запрессованной в наконечнике керна.

В конструкции рупорного громкоговорителя большое внимание уделяется центрированию подвижной системы. Плоское кольцо воротника зажимается между двумя кольцами пластмассовым 11 и металлическим 12. Кольца устанавливаются в расточке фланца, и тем самым обеспечивается концентрическое размещение катушки относительно отверстия во фланце. Центрирование керна относительно фланца достигается центрирующей втулкой 13. Для предохранения диафрагмы от повреждения головка закрывается защитной крышкой 14. Наиболее распространенные рупоры экспоненциальные, реже конические Для рупора есть критическая частота: Длина рупора определяется из соотношения. Для частот ниже fкр активная составляющая входного сопротивления рупора почти равна нулю, присутствует только реактивная составляющая. Это свидетельствует о том, что рупор на этих частотах не излучает энергию в окружающее пространство, а запасает и возвращает ее после вынужденных колебаний в виде своих свободных колебаний в механическую систему. Реактивная составляющая на СЧ и ВЧ ничтожно мала. Выше частоты fкр активная составляющая быстро нарастает до сопротивления, равного сопротивлению плоской волны, и далее остается почти нгде показатель расширения рупора; S 0 входное поперечное сечение; x расстояние от входа рупора (рис. 6. 7). где показатель расширения рупора; S 0 входное поперечное сечение; x расстояние от входа рупора.

• Критическая частота экспоненциального рупора тем выше, чем круче он расходится, поэтому для смещения нижней границы частотного диапазона внизу приходится применять рупоры с пологим расхождением. В рупорах конечной длины из за несогласованности сопротивлений рупора с окружающей средой на НЧ возникают отражения звуковых волн от его устья (выхода), т. е. там, где фронт волны близок к сферическому. Для СЧ и ВЧ фронт волны близок к плоской, поэтому отражений на этих частотах не возникает • Большое распространение получили рупоры с прямоугольным выходным отверстием. Такие рупоры имеют разную направленность во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось рупора. Направленность в продольной и поперечной плоскостях определяется отношением размеров выходного отверстия, с одной стороны, и длиной волны, с другой. Часто применяют сдвоенные круглые рупоры, т. е. два отдельных рупора со смежными выходными отверстиями. Такие рупоры могут приближенно рассматриваться как рупоры с прямоугольным выходным отверстием и имеющим размеры d и 2 d. В тех случаях, когда надо иметь одинаковое излучение в пределах телесного угла около , не зависящее от частоты, применяют секционированные рупоры.

6. 9. Электроакустические параметры рупорных громкоговорителей Так как рупор является своего рода акустическим трансформатором, входное сопротивление экспоненциального рупора, приведенное к диафрагме, будет равно , где S 0 площадь входного отверстия рупора; Sд площадь диафрагмы. Коэффициент электромеханической связи К= l величина постоянная, как и у электродинамических громкоговорителей. Электрическая характеристика i/U=1/zвх слабо зависит от частоты, как и у диффузорного громкоговорителя. Входное сопротивление также состоит из внесенного и электрического сопротивлений. Однако у рупорных громкоговорителей за счет применения акустической трансформации значительно увеличено сопротивление излучения. Поэтому резонансная кривая, выражающая график зависимости внесенного сопротивления от частоты колебаний подвижной системы, является пологой, величина внесенного сопротивления незначительна. Также уменьшена и величина индуктивного сопротивления звуковой катушки. В результате входное сопротивление рупорных громкоговорителей в рабочей полосе частот изменяется несущественно (рис. 6. 8). Акустическая чувствительность будет иметь вид , где K 1 изл безразмерный коэффициент сопротивления излучения, определяемый из соотношений: , где R радиус излучателя; длина звуковой волны. Коэффициент К 1 изл частотно зависимый; P 1 звуковое давление, измеренное в удаленной зоне и пересчитанное на расстоянии 1 м от излучателя; 0 скорость колебаний в горле рупора.

• • • Одной из причин ограничения частотного диапазона является компенсация звуковых давлений, особенно на НЧ, в предрупорной камере. Объясняется это тем, что звуковые волны, исходящие от периферии диафрагмы и от ее центральной части на частотах , где r близка к радиусу диафрагмы, оказываются в противофазе. У рупорных громкоговорителей КПД получается выше, чем у диффузорных, вследствие более лучшего согласования механического и акустического сопротивлений. Частотная характеристика рупорных громкоговорителей отличается небольшой неравномерностью в рабочей полосе частот. Неравномерность резко возрастает вблизи граничных частот. Спад частотной характеристики вблизи критической fкр происходит из за резкого уменьшения сопротивления излучения. Неравномерность частотной характеристики на ВЧ объясняется тем, что звуковые волны, излучаемые различными участками диафрагмы, проходят до горла рупора различные расстояния. Спад частотной характеристики на ВЧ вызывается двумя причинами. На ВЧ возрастает интерференционное сопротивление подвижной системы. Оно становится соизмеримым с сопротивлением излучения или превышает его. Это ведет к уменьшению колебательной скорости, а следовательно, и излучаемой мощности. Для лучшего воспроизведения ВЧ необходимо уменьшить массу подвижной системы. Это достигается применением легких материалов. Часто диафрагму делают из алюминиевой фольги или лавсановой пленки. Звуковую катушку делают меньших размеров, чем у диффузорных громкоговорителей, медный провод заменяют на алюминиевый. В то же время уменьшают горло рупора в 15 20 раз, по сравнению с диаметром диффузора. Второй причиной спада частотной характеристики на ВЧ является уменьшение упругого сопротивления воздуха в предрупорной камере. На деформацию воздуха в предрупорной камере затрачивается энергия, звуковое давление в горле рупора уменьшается. Рупорный громкоговоритель большой мощности выполняют таким образом, чтобы он состоял из нескольких рупорных головок, нагруженных на один общий выходной рупор. Головки соединяются с общим рупором посредством специальной горловины, имеющей несколько отводов. Нелинейные искажения рупорных громкоговорителей вызываются теми же причинами, что и у громкоговорителей прямого излучения. Небольшое отличие состоит лишь в том, что модуляционные искажения возникают из за нелинейности упругости воздуха в предрупорной камере, что ведет к сокращению полосы частот, в которой громкоговоритель работает без заметных искажений. Величина искажений также сильно возрастает при увеличении воспроизводимой мощности.

• • • 6. 10. Групповые излучатели и громкоговорители Для получения острых ХН и для повышения мощности излучения применяют групповые излучатели, составленные, как правило, из однородных громкоговорителей. Различают следующие типы групповых излучателей: звуковые колонки, радиальные громкоговорители и звуковые люстры. Звуковые колонки состоят из нескольких диффузорных громкоговорителей (от трех до восьми), поставленных один над другим (в колонны). В удаленной точке на оси группового излучателя звуковые давления от каждого из n излучателей суммируются арифметически. При увеличении размеров излучателя направленность его увеличивается соответственно отношению l/. Звуковые колонки имеют значительно заостренную ХН в продольной плоскости из за большой величины l/. В поперечной плоскости эта характеристика определяется направленностью одного громкоговорителя. Для уменьшения излучения вверх, что не нужно при озвучивании наземной поверхности, колонки ставят вертикально. Тогда продольная плоскость будет для такого излучателя вертикальная, а поперечная горизонтальная. Частотные характеристики звуковых колонок имеют большую равномерность, чем характеристики входящих в нее отдельных громкоговорителей. Это получается, во первых, потому, что нет совершенно одинаковых громкоговорителей. Поэтому, при совместном действии всех громкоговорителей происходит усреднение характеристик, т. е. выравнивание их неравномерностей (пиков и спадов на частотной характеристике). Особенно это становится заметно на частотах выше 1000 Гц. Во вторых, на НЧ из за взаимодействия громкоговорителей, находящихся на расстояниях, значительно меньших длины волны на НЧ, излучение увеличивается, т. к. оно пропорционально квадрату размеров излучателя: ,

• Радиальные громкоговорители • • . Конструкция его в общем виде представлена на рис. 6. 10. Состоит из нескольких диффузорных громкоговорителей, расположенных по окружности. Оси громкоговорителей наклонены вниз под углом около 45. Обычно берут таких громкоговорителей от 4 до 6 и получают ненаправленное излучение в горизонтальной плоскости. В нижней части такого излучателя ставят отражатель, уменьшающий излучение вниз по вертикали. В верх такой излучатель почти не излучает. Наибольшая чувствительность P/U у него получается при излучении вниз под углом 60 80 к вертикали. Радиус действия обычно составляет 15 20 м. Звуковые люстры. Состоят как из диффузорных громкоговорителей, так и из звуковых колонок, располагаемых по окружности. По ХН звуковые люстры сходны с радиальными громкоговорителями, но имеют большой радиус действия. Коэффициент нелинейных искажений групповых излучателей такой же, как и у одинаковых громкоговорителей, входящих в их состав. Если громкоговорители в групповом излучателе соединить последовательно, то силы, действующие на механические системы излучателей, будут находиться в одной фазе. Излучаемые звуковые волны будут иметь сдвиг по фазе только из за разницы фаз в их механических системах. При параллельном соединении громкоговорителей фазы звуковых волн будут расходиться и из за разности фаз в электрических сопротивлениях. Поэтому вероятность когерентного излучения (сдвиг фаз всех головок примерно одинаков, т. е. фазы равны) уменьшается. При последовательном соединении обрыв в одном из элементов излучателя ведет к потере работоспособности всего группового излучателя. Поэтому по достоинствам и недостаткам оба типа включения практически равнозначны.

• • • 6. 11. Громкоговорящие акустические системы. Разделительные фильтры Для работы в широком диапазоне звуковых частот создают системы, составленные из нескольких громкоговорителей, каждый из которых передает сравнительно узкую полосу частот. Для двухполосных систем диапазон делят на частоте примерно от 300 до 800 Гц или от 2000 до 4000 Гц. А для трехполосных средняя частота берется примерно от 400 до 4000 Гц. Применение в системах большого числа ВЧ громкоговорителей, чем НЧ, объясняется большой направленностью первых. Для получения одинакового излучения во все стороны оси ВЧ громкоговорителей располагают в разных направлениях. Для разделения частотных диапазонов применяют специальные разделительные частотные фильтры. Рассмотрим типовые схемы разделительных фильтров двухполосных систем. Наиболее простые фильтры представлены на рис. 6. 11. Схема на рис. 6. 11, а отличается независимостью входного сопротивления от частоты. Условия должны быть следующие: RНЧ = RВЧ = и . (6. 30) Частота f 0 частота разделения диапазонов, выбирается в пределах 500 2000 Гц. • Рис. 6. 11. Простейшие разделительные фильтры двухполосных АС а б в • • •

Рис. 6. 12. Схема разделительных фильтров с делителем Чаще всего применяют схемы с делителями напряжений, призванные выравнивать уровни звуковых давлений ВЧ головки по отношению к НЧ головке. Делитель для выравнивания чувствительности головки представляет собой два резистора, включенных непосредственно перед соответствующей головкой. Рассмотрим пример применения делителей в АС (рис. 6. 12). Желательно, чтобы головки громкоговорителей имели минимальную неравномерность частотной характеристики по звуковому давлению в соответствующем диапазоне рабочих частот. Частота основного резонанса должна быть, по крайней мере, на октаву ниже ее низшей рабочей частоты, совпадающей с частотой разделения АС. Оптимальная конструкция катушки L в смысле отношения L/R получается тогда, когда внутренний диаметр цилиндрической обмотки катушки в два раза больше ее высоты h, а внешний диаметр в 4 раза больше высоты h. Разделительные фильтры рассчитывают исходя из вполне определенного значения нагрузки, в данном случае им является входное электрическое сопротивление громкоговорителей. С целью компенсации изменения модуля электрического сопротивления головки при включении ее через разделительный фильтр применяют компенсирующие RC цепи, включаемые параллельно головке (см. рис. 6. 12). Рис. 6. 13. Разделительные фильтры АС высокого порядка

Лекция 5 Телефоны. 1. Технические характеристики телефонов: чувствительность , эффективная чувствительность) 2. Прицип действия и конструкция. ( . Электромагнитный телефон, конструкция пьезоэлектрических телефонов и электродинамический). Семинарские занятия 1. Громкоговорители и телефоны. ( Электроакустические показатели громкоговорителей. Частотные и нелинейные искажения). Лабораторная работа 1. Измерение входного сопротивления громкоговорителя. ( Собственное сопротивление звуковой катушки z 0 состоит из активного и индуктивного сопротивлений Зависимость полного электрического сопротивления громкоговорителя от частоты. ) Лабораторная работа 2. Исследование характеристик громкоговорящего агрегата . ( Акустическое оформление громкоговорителей. Корпус с фазоинвертором ).

• • • • 6. 12. Телефоны предназначены для работы непосредственно на объем слухового канала, поэтому его технические характеристики отличаются от параметров громкоговорителей. Основным качественным показателем телефона является его чувствительность: величина, измеряемая звуковым давлением, которое создается в замкнутом объеме между телефоном и ушной раковиной при величине подводимого напряжения, равной 1 В: , Па/В. (6. 37) График зависимости чувствительности телефона от частоты является частотной характеристикой телефона. Как правило, телефон предназначен для разборчивой передачи речи. Для этого рабочая полоса частот телефона должна лежать в пределах от 300 до 3000 Гц. В этой полосе частот и указывается обычно неравномерность частотной характеристики телефонов. Эффективность телефона как преобразователя колебаний можно характеризовать величиной приведенной чувствительности, которая определяется по формуле , (6. 38) где zr полное электрическое сопротивление телефона. Таким образом, чувствительность данного телефона сравнивается с чувствительностью телефона, сопротивление r которого равно 300 или 600 Ом. Телефон характеризуется также эффективной чувствительностью, которая определяется по формуле , д. Б, (6. 39) где Pэл электрическая мощность в м. ВА, подводимая к телефону. Следующий параметр телефонов отдача телефонов звуковое давление, развиваемое телефоном в камере искусственного уха, при подведении к нему стандартной мощности в 1 м. ВА через сопротивление, равное входному сопротивлению телефона на частоте 1000 Гц.

Наиболее распространенными являются электромагнитные телефоны. Устройство такого телефона показано на рис. 6. 16. Рис. 6. 16. Электромагнитный телефон Основными деталями телефона являются: постоянный магнит 1, полюсные наконечники 2, обмотка электромагнита 3, диафрагма 4, раковина 5, в центре которой имеется одно или несколько отверстий 6, корпус из диамагнитного материала 7. По обмоткам пропускается ток звуковой частоты, в результате чего возникает переменный магнитный поток. Диафрагма выполняется из тонкого стального листа и является якорем. При отсутствии переменного тока диафрагма несколько прогнута, т. к. она притягивается постоянным магнитом. В результате взаимодействия постоянного и переменного магнитных полей образуется пульсирующий магнитный поток, и сила притяжения диафрагмы к наконечникам изменяется. Это вызывает колебания диафрагмы Чаще всего используется дифференциальная схема, представленная на рис. 6. 17. Рис. 6. 17. Дифференциальная схема телефона В телефоне, собранном по дифференциальной схеме рис. 6. 17, якорь 1 не является излучателем. Звуковые колебания создаются диафрагмой 2, выполненной из дюралюминия или тонкой листовой бронзы и жестко связанной с якорем.

Дифференциальная схема обладает рядом достоинств: не происходит уменьшения переменного магнитного потока, т. к. он не замыкается через постоянный магнит; можно увеличить постоянный магнитный поток, что приведет к возрастанию силы, действующей на якорь. В телефонных аппаратах применяют электромагнитные телефоны двух типов: разборные и капсульные. Телефонный капсюль. Обычно он выполняется неразборным с завальцованной диафрагмой. Капсюль располагается в корпусе телефонной трубки, на которой навинчивается слуховая раковина с решетчатыми отверстиями. В случае неисправности капсюль следует заменить другим, исправным. Сборка и регулировка капсюлей производится в заводских условиях, поэтому, как правило, они имеют лучшие и стабильные качественные показатели, чем телефоны разборного типа. На рис. 6. 18 изображена схема устройства капсюльного телефона типа ТА-4. 1– пластмассовый корпус; 2 – постоянный магнит; 3 – полюсные наконечники; – 4 – обмотка электромагнита; ; 7 – корректирующий диск с отверстиями, затянутыми шелком; 8 –токоподводящие контакты. 5 – диафрагма; 6 –крышка с отверстиями Для улучшения частотной характеристики увеличивают активное механическое сопротивление. С этой целью между диафрагмой и полюсными наконечниками помещается корректирующий диск, который опирается на выступы, имеющиеся с внутренней стороны корпуса. Этот диск имеет отверстия, затянутые шелком. Наличие диска не только сглаживает резонансные пики, но и, усложняя акустико механическую систему телефона, способствует расширению диапазона ВЧ, воспроизводимых телефоном. Еще одним представителем широко распространенного телефонного капсюля является электромагнитный телефон типа ТК-47. Средняя чувствительность его в диапазоне 300. . . 3000 Гц составляет 15. . . 17 Па/В, а сопротивление его катушек постоянному току 130 Ом. Этот капсюль нашел широкое применение в бытовых телефонных аппаратах, тогда как капсюль ТА 4 более широко применяется в телефонных трубках переговорных устройств и на радиостанциях.

Дифференциальными электромагнитными телефонами являются телефоны типа ДЭМК 6 А, ДЭМК 7 Т. Средняя чувствительность их составляет 20 Па/В при сопротивлении постоянному току 130 Помимо электромагнитных телефонов находят применение и пьезоэлектрические телефоны Такой телефон состоит из биморфного (составленного из двух разных пьезоматериалов) пьезоэлемента 1, , свободным углом жестко связана диафрагма 2, которая выполняется из алюминиевой фольги или бумаги, пропитанной лаком. Вся конструкция располагается в корпусе 3, на котором навинчивается внешняя раковина 4. Существует другая конструкция пьезоэлектрических телефонов: пьезоэлемент выполняется из керамического титаната бария (смесь мелкого порошка, спекаемая в определенную форму). Он имеет форму диска. В телефоне используется биморфный пьезоэлемент, причем такие пластины склеивают, деформация которых совершается в противофазе. Если приложить к такому элементу напряжение, обе пластины изгибаются и принимают форму эллипса. Переменное напряжение вызывает колебание пьезоэлемента, т. е. сам пьезоэлемент создает звуковые колебания. Пьезоэлемент вставляется в кольцо из эластичного материала, вкладывается в корпус и прижимается крышкой. Выводы, к которым подводится напряжение, соединяются с верхней и нижней пластинами пьезоэлемента. Такой телефон имеет ряд достоинств: свойства керамического бария не зависят от атмосферных условий, имеют малую себестоимость (отсутствуют дорогостоящие детали), малая масса (не более 20 г). Этот телефон нашел широкое применение в искусственных слуховых аппаратах для слабослышащих людей.

Для прослушивания передач звукового сопровождения телевидения и звукозаписей применяют преимущественно стереофонические электродинамические телефоны рис. 6. 20. Рис. 6. 20. Конструкция электродинамического телефона Устройство и работа электродинамического телефона напоминают головку рупорного громкоговорителя. Телефон состоит из подвижной системы, включающей звуковую катушку 1, диафрагму 2 и гибкий воротник 3, магнитную систему 4, раковины 5, решетки с отверстиями 6. Специально подобранная акустико механическая система позволяет расширить диапазон телефона и уменьшить неравномерность частотной характеристики до 10 д. Б. По качественным показателям этот тип телефона является одним из лучших. Этот телефон (в паре) позволяет получить высококачественное воспроизведение, особенно НЧ, при малой подводимой мощности, обеспечивая очень хороший стереофонический эффект. Выпускаются также квадрофонические телефоны. Их основное отличие в том, что на каждое ухо воздействуют два электродинамических преобразователя миниатюрных громкоговорителя. Один из них работает на переднюю часть уха, другой на заднюю, т. е. преобразователи передних каналов располагаются прямо против входа в слуховые каналы, а задних смещены за ушную раковину, что несколько ослабляет ВЧ. Иногда оба преобразователя включаются через специальный электрический контур, позволяющий подчеркнуть НЧ для одного преобразователя (обычно заднего) и ВЧ для другого (обычно переднего). Известны головные телефоны, построенные на электродинамическом принципе, но без применения миниатюрных головок. Наиболее известный из них изодинамический. Оригинальная магнитная система состоит из двух дискообразных магнитов (например, из феррита бария), намагниченных таким образом, что каждый из них имеет три пары полюсов: центральная, внутренняя кольцевая и наружная кольцевая. На пленку наносится проводник в виде спирали. Благодаря тому, что диафрагма такого телефона возбуждается по всей поверхности, он очень эффективен, имеет равномерную частотную характеристику и ничтожные нелинейные искажения, т. е. самые высокие качественные показатели из всех рассмотренных. Единственный его недостаток – он боится механических ударов, т. е. его нельзя ронять и сильно трясти. А также недостатком является то, что в течение нескольких лет сила магнитов ослабевает, что заметно сказывается на качестве воспроизводимых звуков.

Тема 5. Электромеханические звукосниматели Лекция 6. Классификация электромеханических звукоснимателей. 1. Способы записи звука. ( Механическая, магнитная и лазерная записи. Электропроигрывающие устройства. Граммофонные пластинки). 2. Звукосниматели. ( Основные характеристики звукоснимателей. Электромагнитные, пьезоэлектрические, стереофонические звукосниматели). Семинарские занятия 1. Электромеханические звукосниматели. (Принципы действия электромагнитного и пьезоэлектрического звукоснимателя).

• 7. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЗВУКОСНИМАТЕЛИ 7. 1 Основные способы записи звука • По мере развития техники и открытия новых законов были разработаны десятки способов записи звука. В настоящее время широко распространены четыре из них: механический, фотографический, магнитный, лазерный. Наиболее распространенным способом механической записи является запись на дисковый носитель – граммофонную пластинку. Процесс механической записи состоит из несколько этапов. Первичную запись веду на диск из аморфной меди или на дюралюминиевый диск, покрытый лаковым слоем. Записывающий элемент – острие резца декодера перемещается механизмом в радиальном направлении от края к центру и вырезает в диск спиральную канавку. Помимо поступательного движения в радиальном направлении резец в соответствии с записываемым сигналом совершает колебания в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В результате изменяется ширина и глубина канавки. Далее с диска гальваническим путем снимают копию, в которой углублени канавки соответствуют выступающим бороздам. Эта копия используется как матрица при прессовании или штамповке пластмассовых граммофонных пластинок. Механическая запись обеспечивает большую продольную и поперечную плотность записи и хорошее качество звучания. Процессы первичной записи и изготовления матриц довольно сложны и дороги. Большая стоимость первичной записи быстро окупается ввиду больших тиражей грампластинок. В качестве носителя записи при фотографической записи используют светочувствительный носитель – прозрачную пластмассовую основу в виде ленты, покрытую светочувствительным слоем. Фонограмма образуется в результате фотографического процесса. Под воздействием записываемого сигнала изменяется световой поток, попадающий на движущийся носитель. Киноленту проявляют, промывают, закрепляют, сушат. С полученного негатива снимают позитивную копию и повторяют перечисленные фотографические процессы. Сигна отображается на готовой киноленте в виде прозрачной полоски переменной ширины и плотности (прозрачности). Чтобы воспроизвести сигнал, движущуюся фонограмму просвечивают пучком света. Световой поток, промодулированный фотофонограммой, воздействует на фотоэлектрический преобразователь – фотоэлемент или фотоэлектронный умножитель. В результате образуется электрический ток, отображающий записанный сигнал. Продольная и поперечная плотность фотофонограммы высока. Она зависит от разрешающей способности фотослоя киноленты, размера поперечного сечения (апертуры) светового пучка и составляет несколько сот периодов на миллиметр. К достоинствам фотографической записи относится также простота механического монтажа. Копировать фонограммы можно чисто оптическим путем, без перезаписи. Копирование ведется способом оптической печати на большой скорости. Число копий не ограничено. К недостаткам фотографической записи можно отнести сложность первичной записи, дороговизну носителя. Носитель записи не может быть использован повторно. Аппараты записи и воспроизведения сложны и дороги. Всё это определяет высокую стоимость фотографической фонограммы и большие эксплуатационные расходы. • • •

• • • Магнитную запись на движущийся ферромагнитный носитель производят с помощью особого электромагнита – магнитной головки, в обмотку которого подают ток сигнала. Магнитное поле электромагнита намагничивает носитель записи, в качестве которого чаще всего используют пластмассовую ленту, покрытую порошком окислов ферромагнитных металлов или (реже) металлическим ферромагнитным слоем. Фонограмма получается в виде намагниченных участков разной длины и может быть воспроизведена немедленно с помощью устройства, аналогичного записывающему. Магнитная запись обладает рядом технических и экономических достоинств: простотой записывающих и воспроизводящих устройств и технологических процессов, высокими параметрами качества, простотой, дешевизной и возможностью многократного использования носителя, длительной сохранностью фонограмм, стойкостью носителя и воздействием различных атмосферных условий. Недостатки магнитной записи: фонограмма невидима, что затрудняет, а при небольших скоростях движения носителя делает механический монтаж вовсе невозможным; поперечная плотность записи невелика, поэтому показателю она уступает плотностью механической записи в 5… 10 раз, а оптическим способом записи в 50… 100 раз. Но достоинства магнитной записи всё же больше, поэтому она получила столь широкое распространение. Комбинацией механического и оптического способов записи является запись лазерным лучом на так называемом компакт-диске. Запись ведут модулированным лучом лазера на вращающийся диск. Под его воздействием в материале первичного носителя образуются углубления – лунки разной длины. Далее, как и при механической записи, получают матрицу. Также прессованием получают копии первичной записи. Для воспроизведения используют луч лазера. Промодулированный световой поток поступает на фотоэлектрический преобразователь. В нем вырабатывается электрический ток, повторяющий записанный сигнал. Компакт-диски обладают высокой плотностью записи. На диске диаметром 120 мм записывают 60 -минутную программу с полосой до 20 к. Гц.

• • • • 7. 2. Электропроигрывающие устройства Для воспроизведения граммофонных пластинок служат электропроигрывающие устройства (ЭПУ). Они содержат движущийся механизм и звукосниматель и предназначены для встраивания в оптовую электроакцетическую аппаратуру. ЭПУ по электрическим и электромеханическим параметрам и потребительским удобствам разделяют на четыре группы сложности: высшую (0), первую (1), вторую (2) и третью (3). 7. 3. Граммофонные пластинки Существует два вида механической записи: поперечный и глубинный. При поперечной записи резец рекордера колеблется в направлении радиуса пластинки, при глубинной – в направлении оси пластинки. При глубинной записи меньше динамический диапазон записи, чем при поперечной, больше шумы и износ пластинки. Поэтому чаще всего применяют поперечную запись, имеющей вид спиральной бороздки, стенки которой искривлены; причем различают обычную запись и микрозапись. Рассмотрим отличия этих видов записи. На рис. 7. 1. изображен профиль обычной записи и микрозаписи. Размеры на рисунке указаны в микронах. Микрозапись характеризуется большой плотностью записи. Она составляет примерно 100 бороздок на 1 см; для обычной же записи – 38 бороздок на 1 см. Рис. 7. 1. Профиль механической записи: а – механическая фонограмма (Xm – амплитуда смещения); б – профиль обычной записи разрез по А – А); в – профиль микрозаписи При воспроизведении микрозаписи пластинка должна вращаться со скоростью 33 об/мин, при воспроизведении обычной записи – 78 об/мин, микрозапись характеризуется следующими достоинствами: запись широкого диапазона частот (30 15 000 Гц); низкий уровень поверхностного шума, что расширяет динамический диапазон записи; малые нелинейные искажения. Широкое применение нашел способ записи грампластинок прямого воспроизведения. Достоинства такой записи – возможность воспроизведения фонограммы сразу же после осуществления записи. Одним из способов является метод резания оплавлением. Во время записи производится размягчение звукоснимателя нагревом резца токами ВЧ. Достоинство этого способа – возможность уменьшения скорости вращения пластинки до 16 и 3 об/мин, что позволяет получить сверхдолгоиграющие пластинки.

• • • 7. 4. Основные характеристики звукоснимателей Чувствительность определяется отношением амплитуды ЭДС, развиваемой звукоснимателем, к амплитуде колебательной скорости конца иглы. ЭДС, развиваемую звукоснимателем, принято измерять на сопротивлении 1 м. Ом при воспроизведении частоты 1000 Гц. Обычно воспроизведение механической записи осуществляется через усилитель НЧ. Поэтому чувствительность должна быть такой, чтобы обеспечить необходимый сигнал на входе этих усилителей. Частотная характеристика. Рабочий диапазон звукоснимателя должен лежать в пределах от 30 до 10 000… 15 000 Гц. Так как частотная характеристика звукоснимателя не всегда отвечает предъявляемым требованиям, в усилителях НЧ предусматривается возможность коррекции характеристики. Нелинейные искажения. Искажения формы кривой воспроизводимого колебания возникают, если игла звукоснимателя точно не описывает кривую модуляции, записанную на пластинке. Для различных типов звукоснимателей причины этого явления различны. Величина нелинейных искажений зависит от конструкции звукоснимателя и от качества его сборки. Если на вход звукоснимателя включить осциллограф, то, наблюдая форму чистых синусоидальных тонов, записанных на пластинку, можно судить о нелинейных искажениях, вносимых звукоснимателем. Допустимыми являются такие искажения, которые не заметны на экране осциллографа во всем рабочем диапазоне частот. Нагрузкой на иглу называется вес звукоснимателя, приведенный к концу иглы. Большая нагрузка на иглу приводит к быстрому износу иглы, к стиранию бороздок записи. Если же нагрузка на иглу мала, то особенно при воспроизведении больших амплитуд игла выталкивается из бороздки. Вследствие этого игла неточно описывает кривую модуляции, и возникают нелинейные искажения. Критической нагрузкой на иглу называется наименьшая вертикальная сила, приложенная к концу иглы, при которой игла точно следует по модулированной бороздке при наибольших допустимых амплитудах записи. Критическая нагрузка на иглу зависит от устройства звукоснимателя, от его характеристик. Податливость подвижной системы измеряется амплитудой смещения подвижной системы под действием силы амплитудой в 1 Н, приложенной к концу иглы. Податливость подвижной системы звукоснимателя тем больше, чем меньше масса подвижной системы и чем больше гибкость её закрепления. При малой податливости подвижной системы возрастает давление иглы на пластинку, что вызывает повышенный износ записей. Качество звукоснимателя зависит также от податливости иглы в вертикальном направлении. При достаточно большой податливости иглы в вертикальном направлении её перемещения не сообщаются ни генерирующему элементу, ни всему звукоснимателю (т. е. игла «болтается» свободно). В этом случае на выходе не развивается ЭДС и, кроме того, из за «прыганья» иглы становится невозможным нормальное воспроизведение записи.

7. 5. Электромагнитный звукосниматель Принцип действия электромагнитного звукоснимателя (ЭМЗС) можно объяснить по схеме, приведенной на рис. 7. 2. Рис. 7. 2. Электромагнитный звукосниматель: а – конструкция, б – схема замещения Игла 1, перемещаясь по бороздкам записи, колеблется и сообщает колебательное движение жестко связанному с ней якорю 2. При этом изменяется положение якоря относительно полюсных наконечников 3, а также по величине и по направлению магнитный поток в якоре. В результате в катушке 4, сердечником которого является якорь, наводится переменная ЭДС. На схеме аналогии электромагнитного звукоснимателя (рис. 7. 2, б) приняты следующие обозначения: m 1 – масса звукоснимателя; С 1 – гибкость иглы; m 2 – масса якоря; С 2 – гибкость резины; R – активное сопротивление резины; F – внешняя сила. Частотная характеристика звукоснимателя имеет два резонансных пика. На НЧ наступает первый резонанс – массы m 1 и гибкости закрепления подвижной системы С 2. Массой якоря m 2 по сравнению с массой m 1 можно пренебречь. Упругое сопротивление иглы на низких частотах очень велико и не оказывает влияния на частотную характеристику. При частотах, меньших первой резонансной, чувствительность звукоснимателя уменьшается, характеристика имеет спад. Объясняется это малым инерционным сопротивлением звукоснимателя: колебания иглы сообщаются всему звукоснимателю, перемещение якоря относительно полюсных наконечников незначительно. Второй резонанс наступает на ВЧ. Он обусловлен массой m 2 и совокупной гибкостью иглы и резины С 1 и С 2. Звукосниматель на этих частотах можно считать практически неподвижным, т. к. велико его инерционное сопротивление. Колеблется только подвижная система. На частотах выше второй резонансной чувствительность звукоснимателя также падает, т. к. упругое сопротивление иглы настолько уменьшается, что колебания её конца уже не передаются в полной мере якорю.

• 7. 6. Пьезоэлектрический звукосниматель • Схема устройства одной из конструкций пьезоэлектрического звукоснимателя (ПЭЗС) представлена на рис. 7. 3. • • Рис. 7. 3. Конструкция пьезоэлектрического звукоснимателя • Пьезоэлемент 1, имеющий форму прямоугольной талии, вставлен одним концом в резиновый карман 2, который крепится к корпусу головки звукоснимателя. Другой конец пьезоэлемента жестко связан с поводком 3. Игла 4 закреплена в иглодержателе 5; 6 – резиновая муфта. Для уменьшения массы звукоснимателя иглодержатель и поводок выполняются из легкой пластмассы. При износе иглы иглодержатель вместе с иглой подлежит замене. Электродвижущая сила, развиваемая ПЭЗС, пропорциональна смещению пьезоэлемента, т. е. смещению иглы. Чувствительность ПЭЗС зависит от отношения амплитуды смещения иглы к амплитуде колебательной скорости иглы, и она обратно пропорциональна частоте. ПЭЗС обладают высокой чувствительностью – от 6 до 30 В с /м. Рабочий диапазон их шире, чем у ЭМЗС. К числу достоинств ПЭЗС следует отнести возможность значительного уменьшения нагрузки на иглу при сохранении высокой чувствительности. Поэтому при воспроизведении микрозаписи используют только ПЭЗС. • •

7. 7. Стереофонические звукосниматели Воспроизведение стереопластинок осуществляется одним звукоснимателем, у которого велика вертикальная гибкость. В качестве звукоснимателей могут быть использованы электромагнитные динамические и ПЭЗС. Рис. 7. 4. Стереофонический электромагнитный Звукосниматель. Рис. 7. 5. Пьезоэлектрический Стереозвукосниматель. Магнитный поток постоянного магнита 1 замыкается через полюсные наконечники 2 и якорь 3. При колебаниях якоря изменяется магнитное сопротивление цепи и в катушках выводится переменная ЭДС. Катушки 4 и 5, расположенные на правом нижнем и левом верхнем наконечниках, соединены последовательно. С них снимается ЭДС на вход одного канала воспроизведения. К другому каналу подводится ЭДС, которая развивается соединенными последовательно катушками 6 и 7. Если колебания якоря вызываются модуляциями только одного канала, то якорь перемещается только относительно одной пары полюсных наконечников. Положение же якоря относительно другой пары наконечников остается постоянным. При воспроизведении обоих каналов якорь изменяет магнитное сопротивление одновременно той и другой пары наконечников. Схема пьезоэлектрического стереозвукоснимателя приведена на рис. 7. 5. Поводок 1 звукоснимателя состоит из четырех жестких тяг, гибко связанных между собой. С верхними тягами соединены пьезоэлементы 2 и 3, расположенные под углом 900 друг к другу. Если иглодержатель 4 сместится в направлении стрелок а, то поводок сообщает колебания пьезоэлементу 2, вызывая его деформацию. При движении иглодержателя в направлении стрелок б деформируется только правый пьезоэлемент 3. При воспроизведении звукоснимателями монопластинок оба выхода соединяются последовательно или параллельно. Для воспроизведения стереопластинок аппаратура, входящая в оба канала воспроизведения, должна быть идентичной.

Тема 7. Система звукового вещания Лекция 8. Составные части системы звукового вещания 1. Тракт формирования программ звукового вещания. ( Тракт первичного распределения программ звукового вещания (ТПРП). Тракт вторичного распределения программ звукового вещания (ТВРП). Тракт приема программ звукового вещания (ТПП). 2. Организация звукового вещания. ( Звуковым вещанием в России занимаются как государственные, так и частные телерадиовещательные (ТРК) и радиовещательные (РК) компании, а также Министерство Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и средств массовых коммуникаций (МПТР) и Министерство Российской Федерации по информационным технологиям и связи. ) Семинарские занятия 1. Акустические характеристики помещений. ( Типы студий и их акустические характеристики). 7. Составные части системы звукового вещания. ( Тракт приема программ звукового вещания (ТПП). Организация звукового вещания).

• • • 9. ОЗВУЧЕНИЕ И ЗВУКОУСИЛЕНИЕ 9. 1. Основные показатели систем озвучения Озвучение – громкоговорящее воспроизведение акустических сигналов в заданных местах расположения слушателей в помещении или на открытом воздухе. Рассмотрим основные показатели систем озвучения: 1. Максимальный Lmax и минимальный Lmin уровни поля – это максимальный и минимальный уровни звука, создаваемые системой озвучения в точках озвучиваемой поверхности при подведении номинальной мощности к системе озвучения. Озвучиваемой поверхностью называют поверхность, проходящую на уровне голов слушателей (для сидящих считают, что она находится на уровне 1 м от пола, а для стоящих – на 1, 5 м от поверхности, на которой стоят слушатели). 2. Неравномерность озвучения: L= Lmax-Lmin, д. Б. 3. Неравномерность частотной характеристики системы озвучения в основном определяется неравномерностью электроакустической аппаратуры и частично затуханием в воздухе (при распространении звука на большие расстояния). 4. Акустические шумы – шумы в пределах озвучиваемой поверхности, создаваемые публикой различными агрегатами и т. п. , и шумы, приходящие извне, например от транспорта. Обычно уровни и спектры этих шумов бывают заранее заданы или известны, или замерены в реальных условиях. Большинство из них имеет преобладание на НЧ. Их влияние учитывают только при расчете понятности речи. 5. Слитность звучания – отсутствие заметного или мешающего эха. Для музыкальных передач не должно быть заметного эха, т. е. следует стремиться к тому, чтобы разность уровней запаздывающих и основных сигналов была ниже значений, приводимых в справочниках по акустике. Для речевых передач это не должно снижать понятность речи.

• 9. 2. Особенности озвучения открытых пространств • К открытым пространствам относят улицы и площади, спортивные площадки и стадионы, открытые перроны и пр. Кроме того, к открытым пространствам относятся зоны оповещения и информации на открытом воздухе, например для целей гражданской обороны. • Спецификой их является зависимость от климатических факторов и атмосферных условий и необходимость учета затухания в воздухе, т. к. протяженность озвучиваемых зон доходит до нескольких сотен метров. На рис. 9. 1 приведены зависимости затухания звуковых волн в воздухе из за вязкости среды от величины относительной влажности для разных частот колебаний. Из этих данных следует, что высокие частоты (свыше 1000 Гц) затухают очень быстро, особенно при относительной влажности воздуха около 15 % на частоте 10 к. Гц затухание достигает 28 д. Б на каждые 100 м, при нормальной влажности (около 50 %) затухание получается вдвое меньше. Кроме того, затухание из за ветра, дождя и снега может достигать 8… 10 д. Б на каждые 100 м. Ветер и неравномерный нагрев поверхности земли вообще могут нарушить передачу, т. к. звуковые лучи из за искривления траектории могут уходить вверх или круто вниз. • • Рис. 9. 1. Характеристики затухания звуковых волн в среде при различных значениях влажности • • К специфике открытых пространств можно отнести также и более высокий уровень акустических шумов, например от транспорта и различных машин. Применительно к открытым пространствам введен дополнительный показатель системы озвучения – локализация звукового поля – уменьшение уровней поля при удалении от зоны озвучения. Стремятся снизить уровень поля за пределами озвучиваемой зоны так, чтобы уровень не был выше определенных санитарных норм при условии подведения номинальной мощности к системе озвучения. • •

Применительно к открытым пространствам введен дополнительный показатель системы озвучения – локализация звукового поля – уменьшение уровней поля при удалении от зоны озвучения. Стремятся снизить уровень поля за пределами озвучиваемой зоны так, чтобы уровень не был выше определенных санитарных норм при условии подведения номинальной мощности к системе озвучения. В открытом пространстве возможно появление эха или от действия источников звука, отстоящих друг от друга не менее 17… 18 м, или вследствие отражения звуковых волн от различных предметов, находящихся в этом пространстве и отстоящих от источника звука не менее чем на 8, 5… 9 м. Возникновение слышимого эха определяют две величины: разность расстояний от точки наблюдения до источника звука и разность уровней, создаваемых ими в этой точке. Чаще всего встречаются два варианта расположения источников звука: или их оси направлены в одну сторону, или встречно. В обоих случаях координатные оси x, y, z привязывают к одному из громкоговорителей (центр координат помещают на земле под одним из громкоговорителей, ось x – по проекции оси излучателя на горизонтальную плоскость, ось z – вертикально через центр излучателя, ось y – перпендикулярно им). Для озвучения открытых пространств применяют сосредоточенные и зональные системы. Распределенные системы в них применяются в редких случаях, когда требуется озвучить небольшую площадку с достаточно высоким качеством звучания или площадь, на которой можно ставить громкоговорители только по ее краям.

• • • 9. 3. Сосредоточенные системы озвучения К сосредоточенным системам относятся системы, имеющие размеры (расстояние между крайними громкоговорителями) в несколько раз меньше расстояния от них до ближайших слушателей. При этом если расстояние между соседними громкоговорителями больше наиболее длиной волны в передаваемом диапазоне частот, то в каждой точке звукового поля складываются интенсивности звука или квадраты звуковых давлений, создаваемые каждым громкоговорителем: (9. 6) При близком расположении одинаковых громкоговорителей друг к другу (почти вплотную) складываются звуковые давления: (9. 7) Для создания сосредоточенных систем озвучения используют в основном рупорные громкоговорители и звуковые колонки, гораздо реже – радиальные громкоговорители и очень редко (только для небольших объектов) – диффузорные громкоговорители. Рупорные громкоговорители. Если длина озвучиваемой поверхности невелика (до 25 м), то применяют рупорные громкоговорители с круглым отверстием. Для более длинной плоской поверхности (на нижней проекции показан эллипс, ограничивающий обслуживаемую зону на озвучиваемой поверхности) и узких объектов (например, улиц) применяются рупоры с прямоугольным выходным отверстием. Если установить три или четыре рупорных громкоговорителя один над другим, то можно еще более увеличить направленность и дальность действия системы. Для озвучения широкой площади громкоговорители располагают или в одной точке веером, или по ширине площади на небольших расстояниях друг от друга. Это только ориентировочные рекомендации, точные данные можно получить в результате расчета системы.

• XH рупорного громкоговорителя представляется в виде эллипсоида, вершина которого находится в рабочем центре излучателя, т. е. в центре выходного отверстия рупора (рис. 9. 2). • Рис. 9. 2. Расположение рупорного • громкоговорителя при озвучении • Ось рупора обычно направляют в удаленную точку озвучиваемой поверхности. Если озвучиваемая поверхность плоская и горизонтальная, то угол наклона рупора по отношению к горизонтали определится из равенства • (9. 8) • где высота подвеса громкоговорителя над озвучиваемой плоскостью; z 0 – высота озвучиваемой плоскости; zгр – высота подвеса громкоговорителя над наземной плоскостью. • (9. 9) • есть расстояние удаленной точки озвучиваемой плоскости от громкоговорителя; x 0 – проекция линии a на горизонтальную ось

• • При таком расположении громкоговорителя XH в вертикальной плоскости будет пересекать озвучиваемую плоскость в точках x 1 и x 0, Вне эллипса озвучения, в том числе и на участках, лежащих между этим эллипсом и проекцией точки подвеса на горизонтальную плоскость, уровень ниже, чем в удаленной точке, т. е. эта зона необслуживаемая. При необходимости ее озвучения применяют дополнительные громкоговорители ближнего действия. Если поверхность озвучения имеет криволинейную образующую, например в случае озвучения больших стадионов, то в этом случае ось громкоговорителя также направляют в удаленную точку, а неравномерность озвучения определяют методом координат Если громкоговорителей несколько, то неравномерность озвучения можно определить только определением уровней в ряде точек, в которых наиболее возможны максимальные и минимальные уровни. Озвучение рупорными громкоговорителями из-за их низких качественных показателей применяют только для передачи речевой информации. Также их используют во время демонстраций, митингов и пр. , когда уровень акустических шумов большой и искажения звука не очень заметны. Рупорные громкоговорители имеют высокое номинальное звуковое давление, поэтому ими можно озвучивать большие пространства с одной точки. Звуковые колонки. Озвучение аналогично как и применении рупорных громкоговорителей. Излучения во фронтальную полусферу и локализация звукового поля у колонок хуже, чем для рупорных громкоговорителей, но в отличие от последних, звуковые колонки имеют более высокие качественные показатели излучаемого звука. Дальность действия звуковых колонок намного меньше рупорных громкоговорителей.

• • • Озвучение удаленных и дальних зон. Различают дальние и удаленные зоны озвучения. Под удаленными обычно подразумевают такие, для которых еще непосредственно действуют прямой звук от источника. Это зоны примерно на расстоянии 200 – 500 м. Более удаленные зоны называются дальними. Эти зоны характеризуются наличием «мертвых» зон (акустической тени), создаваемых направлением хода звуковых волн в атмосфере. Дальние зоны считаются от 1 км и далее. Промежуток между дальними и удаленными зонами 0, 5… 1 км называют переходным. При озвучении удаленных зон возможны два варианта озвучения: достаточно широкая его зона (до 0, 3 км) при дальности не более 0, 5 км и узкая зона при дальности до 1 км. Для увеличения дальности действия системы звукофикации необходимо увеличение направленности по рабочей оси излучения. Но слишком большую направленность получить трудно, да оно и не рекомендуется, т. к. тут уже будет сказываться искривление звукового луча из за атмосферных явлений и будут образовываться мертвые зоны. При озвучении удаленных зон используют ограничение уровня речевого сигнала в целях снижения мощности громкоговорителей. При этом разборчивость речи практически не снижается. Для озвучения дальних зон, находящихся на расстоянии свыше 1 км, во избежание акустической тени приходится применять громкоговоритель с небольшой направленностью в вертикальной плоскости. Для расстояний до 1 км достаточна направленность, соответствующая eв=0, 95 (угол излучения около 150). Расчет дальности действия громкоговорителей системы определяется с учетом затухания звука помимо уменьшения его интенсивности по квадратичному закону на 2… 6 д. Б/км в зависимости от частоты (верхний предел дан для 2000 Гц). Для получения большой мощности излучения применяют составной рупорный громкоговоритель, снабженный несколькими головками, работающими на один рупор.

• • 9. 4. Зональные системы озвучения Зональные системы озвучения представляют собой сосредоточенные системы, каждая из которых обслуживает в основном свою зону озвучения. Эти зоны, как правило, стыкуют между собой. На стыках зон складываются интенсивности от ближайших громкоговорителей. На линиях стыка, если громкоговорители создают одинаковые интенсивности. Зональные системы бывают линейные и пространственные. Первые служат для узких и очень длинных улиц, вторые – для озвучения больших площадей, когда нет возможности озвучить их сосредоточенной системой. Широкие объекты (например, типа парка) озвучиваются рядом параллельных линейных систем. В таких системах при использовании рупорных громкоговорителей приходится применять подзвучивание под громкоговорителями, т. е. в каждой точке расположения громкоговорителей применяют их по три штуки: первый вперед с рабочим наклоном, второй назад с примерно тем же наклоном, третий вниз. Преимущество применения рупорных громкоговорителей в зональной системе – их меньшее количество, а значит и стоимость. Зональные системы в сравнении с сосредоточенными и распределенными имеют лучшую локализацию звукового поля, т. к. размер частных зон сравнительно невелики, а за их пределами уровень быстро падает. Наиболее удобны для зонального озвучения широких площадей радиальные громкоговорители или веерные групповые системы, расположенные около центральных точек частных зон озвучения. В зональных системах появляется опасность возникновения эха из-за разности хода между соседними громкоговорителями. Эхо может прослушиваться также под громкоговорителем. Эхо особенно прослушивается при продольной ориентации рупорных громкоговорителей: разность хода получается очень большая, а уровни от громкоговорителей с расстоянием уменьшаются незначительно. В таких случаях они идут на расстыковку зон озвучения, т. е. заранее планируют необслуживаемые зоны. По существу, надо сделать несколько зон озвучения централизованными системами. Расчет каждой зоны ведут методами расчета сосредоточенных систем озвучения. Другой путь исключения возможностей возникновения эха – применение систем бегущей волны. В этом случае в каждый следующий громкоговоритель поступает напряжение, задержанное на время прохода звуковой волны от предыдущего громкоговорителя на величину =l/c. Это можно осуществить, если мощный усилитель, питающий громкоговоритель, расположить рядом с ним; линии задержки формируются на узловой станции. При длине системы в 10 км, максимальная задержка между крайними излучателями должна быть около 30 с.

• • 9. 5. Сосредоточенные системы озвучения помещений и их особенности В помещениях всегда присутствуют реверберационные помехи и помехи от диффузного звука, имеющего, как правило, уровень выше уровня прямого звука, поэтому повышается эффективность систем озвучения. К особенностям помещений также относят ограничение высоты подвеса из за потолка и меньшие размеры озвучиваемых площадей в сравнении с открытым пространством. Для озвучения помещений используют чаще всего сосредоточенные системы. Зональные системы применяются очень редко, например для больших выставочных залов. Для лучшего озвучения больших концертных и кинозалов применяются распределенные системы озвучения. Для озвучения помещений практически не используют рупорных громкоговорителей, т. к. они не годятся для передачи художественных программ, а для передачи речевых программ помещения не так велики, чтобы создавать в них мощные уровни звука. Поэтому для помещений чаще всего используют звуковые колонки, располагаемые вблизи первичных источников звука, т. е. на сцене, на кафедре и т. п. Для музыкальных передач необходимо, чтобы удовлетворялись условия локализации первичного источника звука (см. раздел Бинауральный эффект). Для большинства помещений достаточно иметь одну колонку, чтобы обеспечить равномерное озвучение зала шириной до 12 м и две колонки для зала шириной до 20 м. Более широкие залы озвучивают тремя – четырьмя колонками. Если помещение прямоугольной формы, то оси колонок целесообразно направить параллельно другу. При полукруглой форме помещения оси направляют по радиусам секторов.

• Расчеты ведутся в той же последовательности, что и для открытых пространств, но с учетом отражений от задней и частично от боковых стен. Если задняя стена имеет коэффициент отр=0, 6, то суммарная интенсивность звука у задней стены будет в 1, 6 раза больше интенсивности прямого звука, поэтому в помещениях можно брать высоту подвеса в 1, 6 раза ниже, чем для открытых пространств. Рекомендуемая высота подвеса колонки над озвучиваемой поверхностью будет равна • (9. 42) • где x 0 – расстояние от колонки до удаленной точки помещения; eв – эксцентриситет диаграммы направленности по вертикали. • В углах помещения уровень повышается от отражений до боковых стен, и поэтому он почти такой же, как на рабочей оси излучателя. Это повышение уровня ограниченно расстояниями от стены не более 8 м, т. к. на больших расстояниях отраженные волны уже будут становиться помехами. Поэтому уровень звука в помещениях вначале рассчитывают без учета отражений от стен. Если стены правильно заглушены (см. Звукопоглощающие материалы и конструкции), то никакой поправки брать не следует. • Сосредоточенные системы в виде звуковых люстр применяют для озвучения различного рода помещений, где слушатели в основном расположены вокруг центра помещения. Такие люстры не имеют направленности по горизонтали. Для звуковых колонок, входящих в люстру и имеющих угол излучения не более 600, можно считать их излучение только в свою зону, а на стыках зон добавить 3 д. Б. Расчет поля ведут методом координат.

• • • 9. 6. Распределенные системы озвучения Делятся на линейные и поверхностные. Линейное расположение громкоговорителей называют цепочкой, а поверхностное – решеткой. Распределенные системы в помещениях (кинозалы и театры) применяют в виде настенных и потолочных цепочек, а также в виде потолочных решеток из громкоговорителей. Кроме того, применяют кресельные системы из маломощных громкоговорителей или телефонов. В распределенных системах используют диффузорные громкоговорители или звуковые колонки. Рупорные системы не применяются (см. Особенности озвучения помещений). Потолочные цепочки из диффузорных громкоговорителей рассматриваются как и настенные, только для них высота подвеса уже жестко задана, и координаты x отсчитывают от проекции цепочки на пол. Если применяют звуковые колонки, расположенные на потолке, то расчет ведется методом координат. Одну настенную цепочку диффузорных громкоговорителей применяют, если ширина помещения 4… 6 м. При ширине 6… 12 м две цепочки. Для помещений шириной 10… 15 м одну цепочку из звуковых колонок, при ширине 12… 20 м – две такие цепочки. При низком потолке предпочтение отдают потолочным цепочкам, а при очень большой ширине потолка (театральные залы) применяют потолочную решетку или индивидуальную кресельную систему. Надо иметь в виду, что одна потолочная решетка равноценна двум настенным цепочкам, подвешенным под потолком. Во всех случаях исходят из возможно меньшего акустического отношения в помещении, возможно меньшей неравномерности озвучения и архитектурных требований. Применительно к открытому пространству распределенные системы имеют лучшую локализацию звукового поля, чем сосредоточенные, но в них совершенно нет локализации первичного источника звука, т. к. звук приходит с разных направлений.

• • • 9. 7. Звукоусиление Назначение систем звукоусиления в том, чтобы усилить действие первичного источника звука (оратора, певца, оркестра и т. п. ) в тех случаях, когда из за больших размеров озвучиваемой поверхности или из за недостаточной акустической мощности звука уровень поля на местах удаленных слушателей ниже требуемого значения. Усиление необходимо также при объеме помещения более 2000 м 3 или расстоянии от удаленного слушателя до первичного источника более 25 м. Система звукоусиления включает в себя систему озвучения и сам первичный источник звука, который зачастую оказывается в поле действия громкоговорителей. А это приводит к появлению акустической обратной связи по цепи: громкоговоритель – помещение – микрофон – усилитель – громкоговоритель. Поэтому все требования, предъявляемые к системам озвучения, имеют силу и в отношении систем звукоусиления, но с учетом близости источника звука и наличия обратной связи в системе. Дополнительным требованием можно назвать необходимость локализации вторичного источника звука, т. к. слуховое ощущение местонахождения виртуального источника звука определяется суммарным действием первичного и вторичного (отраженного) источников звука. Этот показатель очень важен для музыкальных программ. Задача звукоусиления при передаче художественных программ заключается в том, чтобы громкоговорители создавали уровень поля на местах слушателей не менее того, который получается у слушателя, находящегося на оптимальном расстоянии от первичного источника звука (rm=2, 3 м; rc=10… 12 м), где rm и rc – расстояния исполнителя от микрофона и слушателя от исполнителя.

• • 9. 8. Громкоговорящая связь Аппаратура для громкоговорящей связи делится на многоцелевую (только для громкоговорителей связи), диспетчерскую и электромегафонную. Когда источник звука неподвижен, пользуются микрофонами стационарного типа. В ряде случаев источник звука должен перемещаться на большие расстояния и при связи микрофона через гибкий кабель с усилителем создаются неудобства: кабель путается под ногами, его надо все время перемещать. Поэтому в таких случаях иногда применяют радиомикрофон. Радиомикрофоны бывают двух видов: с радиосвязью и с индуктивной связью. В первом случае микрофон (обычно петличный) связан с миниатюрным радиопередатчиком. Этот передатчик переносится в кармане или на специальном ремне. • Рис. 9. 7. Система громкоговорящей связи • Передатчик радиомикрофона работает на УКВ. На входе усилительного устройства есть радиоприемник. Применение радиосвязи не всегда возможно из за взаимных помех, поэтому в таких случаях пользуются индуктивной связью между микрофоном и усилителем. Для этого к выходу переносного микрофонного усилителя подключают специальную рамочную антенну НЧ, переносимую лектором и являющуюся как бы первичной обмоткой трансформатора. В помещении (на стенах, под полом или в другом незаметном месте) располагается другая рамочная антенна, являющаяся вторичной обмоткой трансформатора. Эта антенна подключена ко входу усилительного устройства. Такая система рамок располагается во всех помещениях, в которых может находиться гид. К громкоговорящей связи относятся также радиотелефонная связь и диспетчерские системы дуплексного типа рис. 9. 7. В таких системах обратная связь возникает преимущественно по прямому звуку, т. к. уровень отраженного звука невелик, но при большом удалении громкоговорителя от абонента и применении ненаправленного микрофона возникает обратная связь и по диффузному звуку. • •

В таких системах обратная связь возникает преимущественно по прямому звуку, т. к. уровень отраженного звука невелик, но при большом удалении громкоговорителя от абонента и применении ненаправленного микрофона возникает обратная связь и по диффузному звуку. Для предотвращения возникновения генерации, в данных системах применяют: микрофоны типа ДЭМШ, используют различного рода мостиковые схемы рис. 9. 8, а, схемы переключения микрофонов, действующих от голоса рис. 9. 8, б, т. к. не всегда возможно использование микрофона типа ДЭМШ из за необходимости близкого расположения его ко рту говорящего. а б Рис. 9. 8. Системы звукоусиления с защитой от самовозбуждения: а – мостиковая схема, б – схема с голосовым переключением микрофонов В качестве переключающих систем используют автоматические регуляторы уровня с малой постоянной времени срабатывания (5… 10 мс) и большим временем удержания (до 0, 5 с). Такие устройства срабатывают только от громких звуков, т. к. отраженные звуки в помещении не дают возможности получать срабатывание на слабых звуках. Электромегафоны являются переносными устройствами для усиления речи и состоят из шумостойкого микрофона типа ДЭМШ, усилителя и рупорного громкоговорителя мощностью в несколько ватт. Микрофон укрепляют на тыльной стороне кожуха и располагают так, чтобы ось громкоговорителя находилась в плоскости наименьшей чувствительности микрофона. Электромегафон держат за ручку так, чтобы микрофон находился около угла рта. Усилитель вместе с автономным питанием находится в футляре, носимом на плечевом ремне. Дальность действия электромегафона доходит до 400 м. В некоторых конструкциях микрофон может быть отнесен на расстояние до 8 м с помощью гибкого кабеля.

Усилители звуковых сигналов Непременными звеньями вещательного канала, в том числе пульта звукорежиссера являются усилители. В зависимости от назначения различают усилители микрофонные, промежуточные, разделительные, выходные (линейные), линейно -разделительные, оконечные (мощные). Микрофонные усилители служат для увеличения уровня сигналов, поступающих на входы пульта звукорежиссера. Для них характерны большое усиление (до 80 д. Б), низкий приведенный ко входу уровень собственных шумов ( 120. . . 130 д. Б), хорошая защищенность от синфазной входной помехи (не менее 70 д. Б). Последнее обеспечивается симметричным входом. Имеется возможность регулировать чувстви тельность либо при помощи ступенчатого делителя напряжения (шаг регулирования обычно 10 д. Б), либо посредством изменяемой отрицательной обратной связи. Микрофонные усилители строят с трансформаторным и бестрансформаторным входом. В первом случае проще согласование небольшо го электрического сопротивления микрофона с большим входным со противлением усилителя, что обеспечивает малое влияние собственных шумов. Легко осуществляется подача питания на конденсаторный ми крофон по фантомной цепи через среднюю точку первичной обмотки трансформатора. Бестрансформаторная схема проще и дешевле, обес печиваются малые частотные искажения, больше пределы изменения усиления. Ввиду отсутствия трансформатора не возникает микрофон ный эффект, обусловленный магнитострикцией сердечника. Однако для организации фантомной цепи питания микрофона требуются дополни тельные детали, в частности электролитические конденсаторы большой емкости. Они сами по себе могут стать источником помех.

Усилители звуковых сигналов Непременными звеньями вещательного канала, в том числе пульта звукорежиссера являются усилители. В зависимости от назначения различают усилители микрофонные, промежуточные, разделительные, выходные (линейные), линейно -разделительные, оконечные (мощные). Микрофонные усилители служат для увеличения уровня сигналов, поступающих на входы пульта звукорежиссера. Для них характерны большое усиление (до 80 д. Б), низкий приведенный ко входу уровень собственных шумов ( 120. . . 130 д. Б), хорошая защищенность от синфазной входной помехи (не менее 70 д. Б). Последнее обеспечивается симметричным входом. Имеется возможность регулировать чувстви тельность либо при помощи ступенчатого делителя напряжения (шаг регулирования обычно 10 д. Б), либо посредством изменяемой отрицательной обратной связи. Микрофонные усилители строят с трансформаторным и бестрансформаторным входом. В первом случае проще согласование небольшо го электрического сопротивления микрофона с большим входным со противлением усилителя, что обеспечивает малое влияние собственных шумов. Легко осуществляется подача питания на конденсаторный ми крофон по фантомной цепи через среднюю точку первичной обмотки трансформатора. Бестрансформаторная схема проще и дешевле, обес печиваются малые частотные искажения, больше пределы изменения усиления. Ввиду отсутствия трансформатора не возникает микрофон ный эффект, обусловленный магнитострикцией сердечника. Однако для организации фантомной цепи питания микрофона требуются дополни тельные детали, в частности электролитические конденсаторы большой емкости. Они сами по себе могут стать источником помех.

• Промежуточные усилители — самый распространенный вид усилительных устройств пульта звукорежиссера. Их используют для компенсации начального затухания регуляторов уровня и спектра, в качестве разделительных устройств в микшерах и цепях контроля. Усилители обычно конструируют по бестрансформаторной схеме с симметричным входом и симметричным или несимметричным выходом. Коэффициент усиления, как правило, небольшой (порядка десяти, т. е. усиление примерно 20 д. Б). Применяется глубокая отрицательная обратная связь. Уровень собственных шумов 120. . . 130 д. Б. Входное сопротивление велико, выходное, как правило, мало. • Выходные (линейные) усилители подключены к симметричным линиям с волновым сопротивлением 150. . 600 Ом, обеспечивают номинальные выходные уровни +6+15 (17) д. Б. Запас усиления позволяет поднимать выходной уровень до 21. 25 д. Б. Вход — несимметричный, выход — симметричный. • Разделительные усилители служат для устранения взаимных вли яний в смесительных устройствах, защиты основных трактов от корот кого замыкания и попадания посторонних (внешних) сигналов в точках •

• • подключения к основному тракту контрольных устройств и разветвления цепей. Для иключения проникания сигналов из внешних цепей разделительные усилители должны обла дать большим затуханием от выхода ко входу. Линейно разделительные усилители выполняют функции линейного и разделительного усилителей при подключении к выходу пульта звукорежиссера нескольких цепей (линий). Как правило, они имеют симметричные вход и выход. А )Включение опрационных усилителей по инвертирующей (а) и неинвентирующей (б) схемам Рис. 11. 17. Включение нескольких источников на общую нагрузку (а) и одного источника на несколько нагрузок

• Основой всех маломощных усилителей тракта ЗВ являются ОУ, включенные по инвертирующей (рис. 11. 15, а) и неинвертирующей (рис 11. 15, 6) схемам. При включенном питании прохождение сигнала с выхода на вход усилителя практически исключено. Но при выключе нии питания выходное сопротивление усилителя, которое до этого было близко к нулю, становится большим, и затухание сигнала от выхода ко входу определяется соотношением сопротивления обратной связи R 2 и выходного сопротивления предыдущего звена • Смешивание сигналов при помощи ОУ осуществляется по схеме, приведенной на рис 11. 16, в которой Яо = Rn = Щ 2 — ■■■ — Rin-Для каждого из N входов смесителя коэффициент передачи по напря жению , = Ro/Ri = 1 К • В структуре вещательных устройств, в частности пульта звуко режиссера, встречаются два характерных варианта соединения цепей (рис 11. 17, а, 6). Изменение числа коммутируемых цепей приводит к изменению уровня сигнала в точке коммутации Во избежание этого в первом случае необходимо чтобы выходные сопротивления источни ков сигналов были велики по сравнению с сопротивлением нагрузки, во втором случае, наоборот, чтобы выходное сопротивление усилителя У было мало по сравнению с сопротивлениями нагрузок.

• • • 11. 7. Автоматические регуляторы уровня (АРУ) — четырехполюсники, коэффициент передачи которых изменяется по заданному закону в за висимости от значения уровня сигнала. Иногда строят АРУ, реагирую щие и на другие параметры сигнала, например на его спектр, крутизну нарастания и убывания огибающей, на скважность сигнала. Названные устройства предназначены для решения различных творческих и тех нических задач. При помощи АРУ: регулируют динамический диапа зон сигналов; поддерживают в заданных пределах пиковые или сред ние значения уровней; ограничивают усиление тракта при уменьшении входного уровня ниже установленного минимума; улучшают разборчи вость речи; уменьшают различия громкости речи и музыки; защища ют оборудование трактов ЗВ от последствий превышения номинального входного уровня (перевозбуждения) или перегрузки мощных усилителей проводного вещания и модуляторов передатчиков; уменьшают влияние шумов в каналах и трактах ЗВ. Динамический диапазон ЗС автоматически сжимают для того, что бы подчеркнуть, выделить звучание голоса солиста или солирующе го инструмента над оркестровым сопровождением, улучшить разборчи вость речи при звукоусилении или передаче по трактам со сравнительно большими помехами, например по МКЗВ, или радиовещании в диапазо не ДКМВ. Уменьшение динамического диапазона ЗС приводит к возра станию его средней мощности и, как следствие, среднего коэффициента модуляции передатчика, что увеличивает эффективность действия по следнего. По расчетам А. А. Пирогова сжатие динамического диапазона в 2 раза эквивалентно увеличению мощности передатчика с амплитудной модуляцией при передаче симфонической музыки в 1, 5 раза, эстрадной музыки — в 2, 6 раза, речи — примерно в 3 раза.

• • • Автоматическое регулирование коэффициента передачи уменьшает перепады уровня громкости при переходе от речи к музыке и наоборот, что важно при слушании вещательных программ в домашних условиях. Автоматическое нивелирование (выравнивание) среднего уровня громкости речи применяют в системах звукоусиления для уменьшения изменений громкости голоса оратора отклоняющегося или отворачивающегося от микрофона при выступлении Автоматическое ограничение пиковых (максимальных) уровней на входе усилительных устройств предотвращает возрастание нелинейных искажений сверх допустимой величины и возможные аварии, например из за пробоя изоляции конденсаторов или межвитковых пробоев в трансформаторах. Автоматические устройства срабатывают также при пере грузке, т. е. при резком уменьшении сопротивления нагрузки, ограничивают в этом случае мощность или ток и тем защищают выходной каскад оконечных усилителей или модуляторов передатчиков от аварий. В зависимости от реализуемого закона регулирования уровней различают сжиматели и расширители динамического диапазона, ограничители максимальных и минимальных уровней (последние называют еще пороговыми ограничителями или шумоподавителями). По форме представления регулируемого сигнала и управляющего напряжения различают аналоговые, аналоговые с цифровым управлением и полностью цифровые АРУ. В зависимости от длительности процесса регулирования разделяют на безынерционные и инерционные Аналоговые безынерционные устройства в ЗВ почти не применяют ся, так как им свойственны большие нелинейные искажения.

• • Безынерционные ограничители (пикосрезатели) иногда включают на выходе инерционных ограничителей максимальных уровней для уст ранения возможных пиков, которые могут создать помехи прохождению других сигналов в многоканальных системах связи. Особым видом АРУ являются речевые сжиматели. Они встраивают ся в дикторские пульты и предназначаются для выравнивания громкости и устранения дефектов голосов дикторов. К сожалению, их действие приводит иногда к неприятному результату — подчеркнутому «астма тическому» дыханию. Для устранения этого недостатка речевые сжи матели дополняют ограничителями минимальных уровней, но их порог срабатывания нуждается в кропотливом регулировании. В последние годы появился новый класс таких устройств называемых обычно ми крофонными процессорами тегрирующая) цепь И. Эквивалентная схема Рис 11 2 о Экви. УЗ изображена на рис. 11. 20 Здесь г — сопро валентная схема тивление цепи заряда, С — заряжаемая (нако управляющего звена пительная) емкость, R — сопротивление цепи разряда. Параметры цепи: постоянная времени цепи заряда г 3 = г. С и разряда Гр = RC — определяют длительность процессов регулирования.

• • В качестве регулируемой величины чаще всего выбирают один из параметров сигнала (напряжение, уровень), иногда громкость, ток или мощность. Наиболее распространены АРУ, регулирующие напряжение (или уровень) сигнала. Особой группой являются адаптивные АРУ. В них режим управле ния, амплитудная характеристика, временные параметры, степень сжа тия или расширения динамического диапазона сигнала автоматически изменяются в зависимости от свойств сигнала и условий действия АРУ. Для этого вводят блок адаптации, который анализирует свойства сигна ла и изменяет структуру и параметры АРУ. Чаще всего режим действия изменяется при смене речи музыкой и наоборот. Иногда учитываются изменения спектра, среднего уровня, соотношение между средним и пи ковым уровнями В адаптивных АРУ стремятся реализовать преимуще ства устройств ручного и автоматического регулирования и исключить их недостатки Это обеспечит наивыгоднейшее значение обобщенного критерия качества в том случае, когда входящие в него частные крите рии качества заданы определенным образом, т. е. могут быть предста влены в математической форме Своеобразным видом АРУ являются устройства без УЗ. В них коэф фициент передачи РЗ изменяется непосредственно под действием сиг нала. Таковы, например, АРУ с мостовой или потенциометрической схемой на терморезисторах. Их сопротивление меняется под воздей ствием тока сигнала. В результате изменяется коэффициент переда чи регулируемого звена.

• 10. ПОНЯТНОСТЬ И РАЗБОРЧИВОСТЬ РЕЧИ • Понятность речи является качественной характеристикой тракта. Для ее непосредственного определения есть только один метод: статистический с участием большого числа операторов (слушателей и дикторов). Разработан косвенный, количественный метод определения понятности речи через ее разборчивость. Разборчивостью речи называют относительное или процентное количество принятых специально тренированных слушателями (артикулянтами) элементов речи из общего количества переданных по тракту. В качестве элементов речи применяют слоги, звуки, фразы, цифры. Соответственно этому есть слоговая, звуковая, словесная, смысловая и цифровая разборчивости. В практике используют преимущественно слоговую, звуковую и словесную разборчивость. На рис. 10. 1 приведены статистические зависимости между слоговой D, словесной W и звуковой S разборчивостью для обычных телефонных переговоров на русском языке. • • • Рис. 10. 1. Статистические зависимости разборчивости телефонных переговоров: а – между словесной W и звуковой S разборчивостью, б – между слоговой D и звуковой S разборчивостью.

• . • Понятность речи была определена для обычных абонентов в процессе обычных телефонных разговоров. При этом понятность считалась отличной, если переговоры велись без переспросов; хорошей если были отдельные переспросы редко встречающихся слов или неизвестных фамилий, названий и т. п. , о которых нельзя догадаться по смыслу; удовлетворительной если требовались частые переспросы и слушатели сообщали о том, что трудно разговаривать; предельно допустимой если требовались неоднократные переспросы одного и того же материала в передаче отдельных слов по буквам и с полным напряжением слуха. • • • Выделяют ещё ускоренный метод измерения разборчивости речи – метод выбора. Он основан на следующем. Каждая таблица составлена из нескольких групп слов. В каждой группе подобраны слова, по звучанию сходные между собой. Диктор передает из каждой группы только одно слово. Слушатели имеют перед собой таблицу и должны отметить то слово, которое, по их мнению, было передано. Чередование слов изменяется в случайном порядке. Далее определяется процент правильно принятых слов. Точность этого метода ниже артикуляционного

• • • 10. 1. Формантный метод определения разборчивости речи Были предприняты ряды попыток нахождения связи между разборчивостью речи, характеристиками трактов передачи речи и условиями ее приема и передачи Форманты звуков речи (см. Первичный речевой сигнал) заполняют весь частотный диапазон от 100 (150) до 7000 Гц. Этот частотный диапазон делят на 20 полос равной разборчивости (табл. П. 5, см. приложение), где приведены границы таких полос для русского языка. Там же приведены и средние значения частоты для этих полос. Было выявлено, что вероятность появления формант в каждой полосе равной разборчивости равна 0, 05. При слушании речи в условиях шумов и помех разборчивость получается меньшей, чем в их отсутствие. Коэффициент, определяющий это уменьшение, называют коэффициентом восприятия или разборчивости , т. е. в каждой полосе, равной разборчивости, вероятность приема формант составляет (10. 1) Величина определяется уровнем ощущения формант: (10. 2) где Bp – средний спектральный уровень речи (табл. 10. 4); Bш – спектральный уровень шумов. Для каждой полосы, равной разборчивости, коэффициент разборчивости в общем случае будет разный ( n). Поэтому суммарная вероятность приема формант, называемая разборчивостью формант.

• • • 10. 2. Индексы тракта Разборчивость речи во многом определяется усилением тракта передачи, т. е. индексом тракта (он был рассмотрен в разделе озвучение и звукоусиление). Кроме него пользуются терминами рационального и фактического индексов тракта. Под рациональным индексом тракта подразумевают такой индекс, при котором достигается близкая к максимуму разборчивость речи (т. е. дальнейшее увеличение индекса тракта практически не повышает разборчивость речи, а из за перегрузки слуха может даже привести к ее снижению). Под фактическим индексом тракта подразумевают конкретное значение индекса реального тракта. При звукоусилении имеют дело со всеми тремя значениями индекса тракта, а при озвучении – только с рациональным и фактическим, т. к. предельного индекса из за отсутствия обратной акустической связи нет. Все три индекса определяются для всех расчетных частот, для которых определяется разборчивость речи. Для открытых пространств рациональный индекс тракта будет равен (10. 4) а для помещений определяется как (10. 5) где Ва – спектральный уровень заданных акустических шумов (см. табл. 10. 3); Вр. м – спектральный уровень речевого сигнала у микрофона; Вп – относительный спектральный уровень помех (по отношению к спектральному уровню речевого сигнала у слушателя Вр. с). Для открытых пространств В=( Lo. c(+) Lв. п)+ Вг*), *) в отсутствие отраженного сигнала и взаимных помех выражение в скобках равно 24 д. Б. Для помещений В=10 lg. Rmax+(50/3)lg. T+ Bг, где Bг – поправка на дифракцию около головы (см. табл. 10. 3, где Bг Lг); Rmax – акустическое отношение; Lo. c – относительный уровень отраженных сигналов; Lв. п – относительный уровень запаздывающих сигналов от мешающих громкоговорителей (по отношению к уровню прямого звука у слушателя). Расчеты фактического индекса текста, разборчивости речи, общего уровня звукового поля при передачи речи приводятся в [3].

• • 10. 3. Определение разборчивости речи для трактов радиотелефонной связи • Для случая радиотелефонной связи спектральный уровень речи у слушателя определяется аналогично ранее рассмотренному, но индекс тракта равен разности уровней, развиваемых телефоном на искусственном ухе, и входным уровнем у микрофона в каждой из полос равной разборчивости • • Аналогично находят уровень ощущения по (10. 2), коэффициент разборчивости и формантную разборчивость Аф. Акустические шумы в месте передачи, приведенные к выходу тракта, как правило, значительно меньше электрических помех там же, поэтому обычно имеют две составляющие шумов и помех. Усиление приемника рационально увеличивать до тех пор, пока уровень электрических помех не будет удовлетворять условию , д. Б. Для получения одинаковой глубины модуляции для всех звуков речи (что обеспечивает наибольшую разборчивость речи, т. к. дает одинаковое превышение спектральных уровней речи над спектральными уровнями электрических помех) необходимо, чтобы НЧ тракт от входа микрофона до входа модулятора передатчика имел частотную характеристику с тенденцией подъема к ВЧ около 6 д. Б/окт, т. е. должно быть выполнено условие Вр. м+Qпер=const. Если предположить, что ВЧ тракт не вносит значительной неравномерности в частотную характеристику тракта, то суммарная частотная характеристика тракта определяется как где С – некоторая постоянная величина.

• • 10. 4. Методы повышения разборчивости речи Одним из методов повышения разборчивости речи является возможное снижение уровней шумов и помех. Но в большинстве случаев они заданы и не зависят от нас, хотя иногда можно снизить помехи: от диффузного звука (путем уменьшения акустического отношения); от шумов, проникающих под заглушки и т. п. Остается возможность манипулировать уровнями речи у слушателя по прямому звуку. Это возможно повышением уровня голоса говорящего, приближением микрофона ко рту и уменьшением неравномерности озвучения (путем приближения минимального уровня прямого звука к максимальному), трактаувеличением индекса. Последнее возможно при условии, что не достигнут предельный индекс тракта для систем звукоусиления, а в системах озвучения – рациональный. Имеется еще один способ: компрессия динамического диапазона речевого сигнала, при которой происходит повышение уровней слабых звуков речи при сохранении уровней громких звуков речи. Для систем с обратной акустической связью этот метод не пригоден, т. к. возникает самовозбуждение системы. А в остальных системах слабые уровни речи повышаются на величину компрессии динамического диапазона. Из компрессоров наиболее применимы ограничители уровня, действие которых сводится к выравниванию пиковых уровней громких звуков, при этом не изменяются соотношения между уровнями слабых звуков, но происходит небольшое подавление их. Амплитудное ограничение (более подробно было рассмотрено выше). Речевой сигнал превращается в последовательность прямоугольных импульсов с меняющимися интервалами между переходом через нуль, т. е. получается телеграфный режим работы передатчика. Все звуки на приеме будут иметь одинаковый и притом максимальный уровень. Если при передаче неограниченной речи слабые звуки маскировались помехами, то при таком способе передачи они окажутся выше уровней помех, и разборчивость будет выше, чем приеме неограниченной речи. Качество звучания и разборчивость речи будут ниже, чем для неограниченной речи, но остается еще в допустимых пределах. Оказывается, что предельно ограниченный речевой сигнал для слуха будет иметь распределение по частоте и по уровням не очень сильно отличающееся от распределенной неограниченной речи. Это объясняется тем, что ухо имеет комплект узкополосных фильтров (см. Строение уха человека – улитки), и когда в одном или нескольких фильтрах уровень повышается, то в других он в этот момент уменьшается, и наоборот. В случае непредельного ограничения или компрессии результат получается промежуточным между предельным ограничением и неограниченной речью.

• • • 10. 5. Вокодерная связь Вокодер представляет собой устройство, в передающей части которого из речевого сигнала выделяются параметры, определяющие информативность речи: спектральные огибающие звуков речи, параметры основного тона речи, т. е. признаки звуков речи, медленно изменяющихся во времени. Выделенный параметр основного тона управляет частотой генератора основного тона, находящегося в приемной части вокодера. Напряжение от этого генератора, создающего импульсы, сходные с импульсами гортани, подается на сложный фильтр, имитирующий акустическую систему речевого тракта для звонких звуков. При синтезе глухих звуков генератор создает шумовое напряжение, подаваемое на фильтры, имитирующие систему для глухих звуков речи. Параметрами этих фильтров и уровнем звуков речи управляют параметры, выделенные на передающем конце вокодера, в результате чего восстанавливается спектральная составляющая речевого сигнала. Качество и разборчивость речи восстанавливаемого сигнала получаются достаточно высокими. Различают следующие типы вокодеров в зависимости от типа выделяемых параметров речи: полосные, гармонические, формантные и фонемные. В полосных выделяется комплекс ординат спектра в узких полосках, в гармонических – коэффициенты Фурье от разложения спектральной огибающей в сумму гармоник, в формантных – частоты и амплитуды формант, в фонемных – произнесенный звук. Так как эти параметры изменяются во времени со скоростью произнесения звуков речи (8… 10 звуков в секунду), то частотный диапазон каждого параметра не более 20… 25 Гц. Кроме того, в каждом из перечисленных типов вокодеров всегда выделяется параметр (частота) основного тона голоса. В полосных вокодерах 12… 18 полос. Динамический диапазон каждого параметра не более 25 д. Б, поэтому при переводе параметров в импульсную форму сигнала достаточен четырехзначный код (16 значений по 1, 5 д. Б), а во времени достаточно 50 отсчетов в секунду. Тогда необходимая пропускная способность для спектральных параметров составит 18*4*50=3600 имп/с и на передачу основного тона еще 1200 имп/с, всего 4800 имп/с. Хорошее качество разборчивости речи уже получается при передаче 2400 имп/с. В гармоническом вокодере скорость передачи несколько меньшая.

• • • В наиболее распространенном формантном вокодере выделяется четыре формантные частоты и четыре формантных уровня. Динамический диапазон этих параметров не более 20 д. Б, поэтому достаточны трехзначный код и скорость передачи: 8*3*40=960 и 240 имп/с отводится на передачу основного тона. Требуемая скорость передачи параметров 1200 имп/с. Для фонемного вокодера требуемая скорость передачи не ниже 300 имп/с, но при этом теряется всякая индивидуальная окраска голоса говорящего. Применение вокодеров дает значительное повышение разборчивости речи в условиях радиопомех, т. к. сигналы передаются в телеграфном режиме со специальным помехоустойчивым кодированием. Речь, передаваемая с помощью вокодеров, идет с высоким уровнем и хорошей разборчивостью даже при наличии сильных помех и замираний. Хорошая помехоустойчивая связь получается при формантном кодировании, поэтому она нашла широкое применение в линиях КВ связи. Импульсная форма сигнала дает возможность засекречивания речи, кроме того, значительно увеличивается число каналов в импульсных системах связи. Для передачи обычного речевого сигнала требуется порядка 64 Кбит/с, т. е. в 25 раз больше, чем для полосного вокодера, в 50 раз больше, чем для формантного. При применении фонемного вокодера эти возможности еще больше увеличиваются, а значит во столько же раз увеличивается число каналов в системе связи. В современное время разработаны и выпускаются вокодеры на интегральных микросхемах с цифровыми методами анализа и синтеза речевого сигнала, которые нашли широкое применение в сотовой связи, в авиации для КВ связи и в радиостанциях военного и специального назначения

• • • Автоматическое регулирование коэффициента передачи уменьшает перепады уровня громкости при переходе от речи к музыке и наоборот, что важно при слушании вещательных программ в домашних условиях. Автоматическое нивелирование (выравнивание) среднего уровня громкости речи применяют в системах звукоусиления для уменьшения изменений громкости голоса оратора отклоняющегося или отворачивающегося от микрофона при выступлении Автоматическое ограничение пиковых (максимальных) уровней на входе усилительных устройств предотвращает возрастание нелинейных искажений сверх допустимой величины и возможные аварии, например из за пробоя изоляции конденсаторов или межвитковых пробоев в трансформаторах. Автоматические устройства срабатывают также при пере грузке, т. е. при резком уменьшении сопротивления нагрузки, ограничивают в этом случае мощность или ток и тем защищают выходной каскад оконечных усилителей или модуляторов передатчиков от аварий. В зависимости от реализуемого закона регулирования уровней различают сжиматели и расширители динамического диапазона, ограничители максимальных и минимальных уровней (последние называют еще пороговыми ограничителями или шумоподавителями). По форме представления регулируемого сигнала и управляющего напряжения различают аналоговые, аналоговые с цифровым управлением и полностью цифровые АРУ. В зависимости от длительности процесса регулирования разделяют на безынерционные и инерционные Аналоговые безынерционные устройства в ЗВ почти не применяют ся, так как им свойственны большие нелинейные искажения.