Text
                    СПРАВОЧНИК
АКУСТИКА
Под общей редакцией
М. А. САПОЖКОВА
2-е издание,
переработанное и дополненное
МОСКВА „РАДИО И СВЯЗЬ'
1989


ББК 32.841 А 44 УДК 534 @3) Авторы: А. П. Ефимов, А. В. Никонов, М. А. Сапож- Сапожков, В. И. Шоров Рецензент д-р техн. наук В. В. Однолько Редакция литературы по радиотехнике Акустика: Справочник / А. П. Ефимов, А. В. Нико- А 44 нов, М. А. Сапожков, В. И. Шоров; Под ред4 М. А. Са- пожкова. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1989. — 336 с: ил. ISBN 5-256-00187-6. Изложены материалы по обработке и передаче акустических сигналов; звукоусилению, озвучению помещений и студий, а также по электроакусти- электроакустическому оборудованию, записи и воспроизведению звука; акустическим измере- измерениям, расчету некоторых процессов иа ЭВМ. Даны графики, таблицы, форму- формулы и программы расчета. В отличие от первого издания A979 г.) приведены сведения по цифровой записи и воспроизведению звука, дискотехнике и маг- магнитной записи, звукофикации. открытых пространств, речевой и вокодерной связи. Для специалистов, эксплуатирующих и проектирующих средства связи, будет полезен студентам вузов и учащимся техникумов связи. 116_89 ББК 046@1)—89 Справочное издание Ефимов Аркадий Павлович, Никонов Александр Васильевич, Сапожков Михаил Андреевич, Шоров Владимир Иосифович АКУСТИКА Справочник ~" Заведующий редакцией В. Л. Стерлигов Редактор Л. И. Венгренюк Переплет художника Н.А. Пашуро Художественный редактор Л. С. Широков Технический редактор Т. Н. Зыкина Корректор 3. Г. Галушкина ИБ J* 1694 Сдано в набор 10.11.88. Подписано в печать 12.06.89. Т-07840 Формат 70X100/16. Бумага офсетная № %. Гарнитура литер. Печать офсетная. Усл. печ. л. 27,30. Усл. кр.-отт. 27,30. Уч. изд. л. 39,43. Тираж 24 000 экз. Изд. № 22144. Зак. 1688 Цена 2 р. 30 к. Издательство «Радио и связь». 101000 Москва, Почтамт, а/я 693 Московская типография № 4 «Союзполнграфпрома» при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 12ЧО41, Москва, Б, Переяславская. 46 { ISBN 5-256-00187-6 Издательство «Радио и связь», 1989
ПРЕДИСЛОВИЕ Главное назначение справочника — дать основные материалы из области технической акустики для инженеров и техников, работа- работающих в системе связи, звуковом вещании, телевидении, звукозаписи и воспроизведения, массовом радиообслуживаннн и т. п., а так- также работающих в эксплуатационных, проект- проектных и научно-исследовательских организаци- организациях и учреждениях связи и вещания, на за- заводах, выпускающих эту аппаратуру. Спра- Справочник должен помогать студентам при кур- курсовом и дипломном проектировании. Поэтому справочник содержит не только таблицы и графики с методикой расчета н их примера- примерами, но и теоретические основы наиболее важ- важных вопросов. Чтобы не перегружать справоч- справочник, пришлось дать ссылки иа литературу, в которой изложены теоретические основы и некоторые более подробные данные. В переч- перечне литературы приведен ряд ГОСТов, неко- некоторые из них уже пересмотрены или пере- пересматриваются и будут введены в действие в ближайшее время. Данный справочник является вторым изда- изданием «Справочника по акустике», вышедшего в свет в 1979 г. в издательстве «Связь». За эти годы произошли изменения в технике свя- связи и вещания (появились цифровые запись и воспроизведение звука, улучшились характе- характеристики электроакустической аппаратуры, по- получили более широкое развитие сети ЭВМ, широкое применение получили программиру- программируемые микрокалькуляторы для несложных рас- расчетов, был разработан ряд новых методов расчетов систем озвучения и звукоусиления, появилось в эксплуатации много аппаратуры, покупаемой за границей и т. п.). Все это и создало необходимость в выпуске нового спра- справочника по акустике. Разделы 1—4, 8 и 10—12 (кроме § 11.3) справочника написаны М. А. Сапожковым, 5 и 7 —А. В. Никоновым, 6 и §11.3 — В. И. Шоровым, 9 - А. П. Ефимовым. Раздел 12 (программы) новый, разд. 5, 7 и 9 заново переработаны, разд. 6, 8, 10 и 11 дополнены новыми материалами в значи- значительной части, разд. I — 4 подверглись неболь- небольшим изменениям. При написании1 справочника частично.были использованы материалы первого издания с дополнениями и изменениями. При этом были использованы материалы из первого издания, написанные В. К. Иофе (разд. 5 и 6) и В. Г. Корольковым (разд. 10). Авторы данно- данного издания выражают им глубокую призна- признательность за согласие на такое заимство- заимствование. Все пожелания и замечания следует на- направлять в адрес издательства.
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ А — общее звукопоглощение Лпр — общая звукопроводность Лф — форматная разборчивость В — спектральный уровень Ва — спектральный уровень акустических шумов Ва — спектральный уровень помех Врс — спектральный уровень речевого сиг- сигнала Вт — спектральный уровень шумов с — скорость звука см — гибкость механической системы D — динамический диапазон DM — добротность колебательной системы ?г — чувствительность громкоговорителя ?м — чувствительность микрофона F — сила / — частота колебаний G — громкость / — интенсивность звука /0 — интенсивность на нулевом уровне (/0 = Ю-12 Вт/м2) /i — интенсивность на расстоянии 1 м от центра источника звука k — волновое число ml с К — коэффициент передачи ,/СКр — ширина критической полосы частот слуха /ССв -г коэффициент электромеханической связи Lj— уровень интенсивности Lp — уровень звукового давления LF — уровень плотности энергии LG — уровень- громкости М — эффект маскировки Мй — соколеблющаяся масса Рл — акустическая мощность р — звуковое давление р0 — звуковое давление на нулевом уровне (Ро= 2- Ю-5 Па) Рх — звуковое давление на расстоянии 1 м от центра источника звука Р4 — электрическая мощность Q — индекс тракта <?из — звукоизоляция помещения <?мс — фактический индекс тракта Qnau — рациональный индекс тракта Окр — предельный индекс тракта Qnp — звукопроводность перегородки R — акустическое отношение S — слоговая разборчивость Sn — ограничивающие поверхности помеще- помещения Т — время реверберации Топг — оптимальное время реверберации W — словесная разборчивость Y — проводимость Z — модуль сопротивления 5а '—'удельное акустическое сопротивление т — масса механической системы <7М — индекс направленности микрофона <7а — акустическое реактивное сопротивле- сопротивление чм — механическое активное сопротивление ГМ — расстояние диктора от микрофона Sm — упругость механической системы / — время v — скорость колебаний доа — акустическое активное сопротивление а — коэффициент поглощения аотр — коэффициент отражения апр — коэффициент звукопроводности Л/ — полоса частот Д/^р — ширина критической полосы частот слуха е — плотность энергии Л- КПД К — длина волны f> — плотность среды или материала Й — коэффициент осевой концентрации рс — акустическое сопротивление плоской волны (о — круговая частота Обозначения для программируемых мик- микрокалькуляторов или хП№ стек.память В t Ввод Ввод Вывод Деление: Умножение Перестановка FSIN FCOS Ftg F sin F cos-1 F tg-1 F V Fig F I/x FG b d Fx2 Fji F 10х FLO FL1 FL2 FL3 П№ в сте ИП№ X в СП х — у vy* А син кос тг асн а кс атг у— лг 1/х \ в д X2 л 10х ЛО Л1 Л2 ЛЗ *Во всех операциях F не пишется.
ВВЕДЕНИЕ В трактах радио- н проводной телефонной связи, вещания, звукового сопровождения те- телевидения, звукозаписи и воспроизведения, озвучения, системы перевода речей, массового радиообслуживания, диспетчерской связи и т. п. * начальные н конечные звенья акусти- акустические. Начальная часть тракта: от источника колебаний (голос человека, музыкальные ин- инструменты, различного рода источники шу- шумов), затем звено в виде воздушной среды помещения нлн открытого пространства закан- заканчивается преобразователем акустических коле- колебаний в электрические (микрофон, ларинго- ларингофон). После него различные электрические си- системы в виде трактов и каналов передачи сиг- сигналов (включая аппаратуру записи и воспро- воспроизведения звука: магнитофон, кинотехиические и днскотехннчеокие устройства и т. п.). За нн- 1 В дальнейшем для краткости везде будет указываться только «вещания и связи» или «в электроакустических трактах». ми до уха слушателя снова — акустические звенья тракта: электроакустический преобра- преобразователь (громкоговоритель нли телефон), по- помещение нли открытое пространство в случае громкоговорящего приема; объем между те- телефоном и слуховым проходом — при при- приеме на телефон. В каждом из этих акустиче- акустических звеньев тракта происходят те или иные изменения акустических колебаний, каждое нз них обладает соответствующими свойствами, которые надо знать, чтобы уметь правильно пользоваться .ими. ' Известно, что акустические звенья тракта зачастую являются определяющими в отно- отношении качества звучания и играют значитель- значительную роль в обеспечении качества речевой свя- связи. Именно поэтому при проектировании и эксплуатации подобных устройств необходимо хорошее знание характеристик электроакусти- электроакустической аппаратуры и помещений, а также особенностей распространения звука в откры- открытых пространствах. 1
РАЗДЕЛ 1 ЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ 1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ Звук распространен в виде переменного возмущения упругой среды, т. е. в виде звуковых волн. Звуковыми колебаниями назы- называют колебательные движения частиц среды под действием этого возмущения. Простран- Пространство, в котором происходит распростране- распространение этих волн, называют звуковым полем. Если источник возмущения известен, то пространство, в котором могут быть обнару- обнаружены звуковые колебания, создаваемые этим источником, называют звуковым полем дан- данного источника звука. Звуковые колебания являются частным случаем механических колебаний. Звуковые колебания в жидкой н тазо- образной средах являются продольными колебаниями, т. е. частицы среды колеблются вдоль линии распространения волиы. В твердых средах, кроме продольных колеба- колебаний, имеют место и поперечные колебания и волиы, т. е. такие, в которых частицы среды колеблются в направлении, перпендикуляр- перпендикулярном линии распространения волиы. Направление распространения звуковых волн называют звуковым лучом, а поверхность, соединяющую все смежные точки поля с одинаковой фазой колебания частиц среды, называют фронтом волны. Фронт волны перпендикулярен звуковому лучу. В общем случае фронт волны имеет сложную форму, но в практических случаях ограничиваются рассмотрением трех видов фронта волны: плоской, сферической и цилиндрической. Звуковые волны распространяются с опре- определенной скоростью, называемой скоростью звука. В разных средах и телах скорость звука различна. В газообразных средах скорость звука зависит от плотности среды р и статического атмосферного давления рас: 101 325 Па1. В жидких и твердых материалах скорость звука определяется плотностью материала р и модулем упругости Е для соответствующего вида деформации (про- (продольные колебания, крутильные, изгибные и др.): с= YE/р. В табл. 1.1 приведены значения скорости звука в некоторых газообразных и жидких средах, а в табл. 1.2 — в твердых средах и телах, в последних — для случая продоль- продольных колебаний в стержнях. На рис. 1.1 дана зависимость скорости звука и плотности воздуха от высоты иад уровнем моря, а на рис. 1.2 — зависимость ее от температуры воздуха. На высоте 10 км скорость звука составляет 90 % от скорости иа уровне моря (см. рис. 1.1). При изменении температуры на 50 скорость звука изменяется на 10 % (см. рис. 1.2). Для температуры воздуха 15 ... 20°С и давления 760 мм рт. ст. с = = 340 ... 343 м/с. Таблица 1.1. Скорость звука и удельное акустическое сопротивление1 для газов и жидкостей Среда Водяной пар Воздух Воздух Гелий Вода пресная Вода соленая 3,5%-ная т а. «пера Но 100 0 20 0 15 15 d относ м* as 0,58 1,29 1,20 0,18 999 1027 и л н 405 331 343 , 970 1430 1500 8 . а, о | -^ >' а:° х X 230 428 413 172 1430 1550 с = Определение в § 1.2. акустического сопротивления см. где Y — коэффициент адиабаты; у — Ср/Су, Ср и Су — теплоемкость среды при постоян- постоянном давлении и при постоянном объеме. Для газов это отношение составляет от 1,668 (для аргона) до 1,28 (для метана). Для воздуха оно равно 1,402 при 15°С и давлении Для колебаний с периодом Т длина звуко- звуковой волны, т. е. расстояние между соседними фронтами волны с одинаковой фазой колеба- 1 Что соответствует 760 мм рт. ст.
Таблица 1.2. Скорость звука и удельное акустическое сопротивление для твердых тел и материалов Материал Железо Дуб Сосна Лед Пробка Каучук на- натуральный Мрамор Гранит Плестиглас Стекло "ж X о. л IOTHOC 7800 700 500 916 240 950 2600 2700 1180 3250 Скорость звука, м/с . Я X О 5850 4170* 5030* — — — — — — 5660 < X и &«в ° о, С X Я V» 5170 1520** 1450** 3200 500 30 3810 3950 2820 5300 Удельное акустическое сопротивление р . кг/(м*-с)х хюв 1 в |fg Й X U 45.6 2,92* 2.77* — — — — — — 18,5 1 х * * = ||| 40,4 1,06** 0.8** 2,93 0,12 0,028 9,9 10,7 3,3 17,3 * ПО волокну. ** Радиальная. иий, например, между максимумами или минимумами колебания, X — с Т, а частота колебаний / = \1Т. Частоты акустических колебаний в пределах 20 ... 20 000 Гц назы- называют звуковыми, ниже 20 Гц — инфра- звуковыми, а выше 20 000 Гц — ультра- ультразвуковыми1. Звуковые частоты делят на низ- низкие, средние и высокие. Примерная граница между низкими и средними частотами состав- ляет 200...500 Гц, между высокими и сред- средними 2000 ... 5000 Гц. Если речь идет только об акустических процессах, то обычно прила- прилагательное «звуковые» опускают. На рис. 1.3 приведена зависимость длины волиы К = elf от частоты колебаний / для частот колебаний 30 ... 10 000 Гц для темпе- температуры 20°С и атмосферного давления 760 мм рт. ст., т. е. для скорости звука, равной 343 м/с. В этом диапазоне длины волн нахо- находятся в пределах 11,4м ... 3,43 см. Для часто- частоты 1000 Гц длины звуковой волны в этих условиях равна 34,3 см. Пример. Найти длину волны на частоте 500 Гц при температуре 0°С и давлении 760 мм рт.ст. На рис. 1.2 находим скорость звука при 0°С, она равна 330 м/с, следовательно, на частоте 500 Гц длина волны Х = 330/500 ~ = 0,66 м = 66 см. 1 Иногда вводят понятие гиперзвуковых колебаний со сверхвысокими частотами, точ- точных границ лли них нет. /ОС, О, КГ М_ мгс с 400 Z50 300 520 200 3/0 ЯЮ 300 0 W0 о'с \ Ч ¦с /с 0,5 2 4 6 8 10 h,KM Рис. l.l. Зависимость скорости звука с, плот- плотности воздуха р и удельного акустического сопротивления рс от высоты над уровнем моря для температуры 0°С (на земле) С,м/с 350 340 330 320 3W SOOVL—I 1 1 L_l -50 0 40 t0 30 t, С Рис. 1.2. Зависимость скорости звука в црзду- хе от температуры для нормального атмосфер- атмосферного давления 101 325 Па / / / / / / / Х,см too 10 t ч ч :::: w too moo Рис. 1.3. Зависимость длины волны в воздухе от частоты при 20° С н нормальном атмосфер- атмосферном давлении 101 325 Па
1Л. ЛИНЕЙНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКОВОГО ПОЛЯ К линейным характеристикам звукового поля в жидкостях и газах относят звуковое давление, смещение частиц среды, скорость колебаний и акустическое сопротивление среды. Звуковым давлением в газах и жидкостях называют разность между мгновенным зна- значением давления ра.м в точке среды при прохождении через нее звуковой волны и статическим давлением в той же точке, т. е. Р — Рл,ы — Ра.с- Звуковое давление — величина знакопере- знакопеременная: в моменты сгущения (уплотнения) частиц среды она положительная, в моменты разрежения (расширения) среды — отрица- отрицательная. Эту величину оценивают по ампли- амплитуде или по эффективному значению. Для синусоидальных колебаний эффективное зна- значение составляет 1/~\/2= 0,701 амплитуд- амплитудного. Звуковое давление представляет собой силу, действующую на единицу поверхности: р = FIS. В системе СИ его измеряют в нью- ньютонах на квадратный метр (Н/м*). Эта еди- единица называется Паскалем и обозначается Па,. В абсолютной системе CGS единиц звуко- звуковое давление измеряют в динах на квадрат- квадратный сантиметр: 1Па=1 Н/м2 = 10 дни/см2 = = I кг/(м«с2). Ранее эту единицу называли баром1. Но так как единица атмосферного давления, равная 10е дин/см2, также назы- называлась баром, то при стандартизации назва- название «бар» осталось за единицей атмосферного давления. В системах связи, вещания и в по- подобных системах имеют дело со звуковыми давлениями, не превышающими 100 Па, т. е. В 1000 раз меньшими атмосферного давления. Смещением называют отклонение частиц среды от ее статического положения под действием проходящей звуковой волны. Если отклонение происходит по направлению движения волны, то смещению приписывают положительный знак, а при противополож- противоположном направлении — отрицательный знак. Смещение измеряют в метрах (в системе СИ) или сантиметрах (в абсолютной системе CQS единиц). Скоростью колебаний называют скорость движения частиц среды под действием про- проходящей звуковой волны: v = duldt, где и — смещение частиц среды; t — время. При движении частицы среды в направле- направлении распространения волны скорость колеба- колебаний считается положительной, а в обратном направлении — отрицательной. Заметим, что эту скорость нельзя путать со скоростью движения - волны, которая постоянна для данных среды и условий распространения воли. Скорость колебаний измеряют в метрах в секунду (м/с) или в сантиметрах в секунду (см/с). Удельным акустическим сопротивлением называют отношение звукового давления р к скорости колебаний v : j = ph. Это спра- справедливо для линейных условий, в частности когда звуковое давление значительно меньше статического. Удельное акустическое сопро- сопротивление определяется свойствами среды или материала и условиями распространения волн (см. § 1.5 — 1.7). В табл. 1.1 и 1.2 приведены значения удельного сопротивления для ряда сред и условий, а на рис. 1.1 дана зависимость удельного сопротивления от высоты над уровнем моря. В общем случае удельное акустическое сопротивление — комплексная величина fa = ша + i qa, где wa и qa — активная и реактивная составляющие удель- удельного акустического сопротивления. (Прилага- (Прилагательное «удельное» часто для краткости опускают.) Размерность удельного акусти- акустического сопротивления в системе СИ — Па-с/м (кг/(м2«с)), а в абсолютной системе CGS — дин-с/см8 (г/(см2-с)). Если известно удельное сопротивление J г/(см2-с), то пользуются соотношением 1 г/(см2с) = == 10 кг/(м2-с). Сдвиг фаз г|> между звуковым давлением и скоростью колебаний может быть опре- определен из формулы tgi|? = Яя^Щ- 1.3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКОВОГО ПОЛЯ К энергетическим характеристикам звуко- звукового поля относятся интенсивность звука и плотность энергии. Интенсивностью звука или силой звука называют количество энергии, проходящее в секунду через единицу площади, перпенди- перпендикулярной к направлению распространения волны. Обозначают ее /. Единицей интенсив- интенсивности звука является ватт на квадратный метр (Вт/м*) в системе СИ, эрг иа квадратный сантиметр в секунду (эрг/(см2«с) в абсолют* ной системе CGS единиц: 1 Вт/м2 = = 103 эрг/(см2-с). Для периодических процессов / = 1 Т = — f p v dt, где р и v — мгновенные т о значения звукового давления и скорости колебаний; Т — период колебаний. Для не- Т периодических процессов /= Hm fp v dt. Для синусоидальных колебаний интенсив- интенсивность звука связана со звуковым давлением и скоростью колебаний соотношениями / =0,5pm vm cos i|> = рэ vB cos i|>= 1 В ГДР и ФРГ ее называют микробаром, что соответствует и отечественным стандар- стандартам. где1рт и vm — амплитуды звукового давления и скорости колебаний; р» и v9— их эффектив- 8
ные значения;' ч|> — сдвиг фаз между звуко- звуковым давлением и скоростью колебаний; ja — удельное акустическое сопротивление; а>а -¦¦— активная составляющая удельного акустического сопротивления. Плотностью энергии е называют количест- количество звуковой энергии, находящейся в единице объема. Единицей плотности является джоуль иа кубический метр в системе СИ и эрг на кубический сантимер в абсолютной системе CGS единиц: 1 Дж/м* = 10 эрг/см8. Плотность энергии е связана с интенсивно- интенсивностью звука / и звуковым давлением рэ соотношением е= lie — pf/(c8p). 1.4. УРОВНИ Общие сведения. В акустике, радиовеща- радиовещании и электросвязи за уровень параметра принимают величину, пропорциональную логарифму относительного значения этого параметра1. Таким образом, при использо- использовании десятичных логарифмов для пара- параметра /С уровень N = a Lg (/С//Со), где а — коэффициент пропорциональности, определя- определяемый размером выбранных логарифмичес- логарифмических единиц. Если выбрать а— 1, уровень энергетических параметров будет измеряться в белах (Б): N9 = lg (лэ//Соэ). в этом случае для линейных параметров уровень Ыл = = 2 lg (/Сл/Кол). так как /Сэ=/С2. Более удобной единицей оказалась 0,1 бе- бела — децибел (дБ), и поэтому пользуются следующими выражениями для определения уровней: для энергетических параметров Na = 10 lg (Ка/Ко9) и для линейных Nn = = 20 lg (кл/КОл). /Со—условное значение параметра, которое соответствует нулевому значению уровня, и поэтому его часто назы- называют нулевым значением, или нулевым уров- уровнем. Если /Со нормировано, то соответст- соответствующий уровень параметра называют абсо- абсолютным, во всех других случаях уровень называют относительным. Обычно прилага- прилагательное «абсолютный» для краткости опуска- опускают. Относительный уровень связи с абсо- абсолютным следующим равенством #отн = =#абс(К)-ЛГабс(К0), где Na6c (К) -абсо- -абсолютный уровень для заданного значения параметра /С; #абС (/Со) — абсолютный уро- уровень для заданной величины параметра Ко. Оба уровня определяют относительно нор- нормированного значения /Со- Ранее широко применялась единица уровня иепер: 1 Нп = = 8,68 дБ или 1 дБ = 0,1151 Нп. Для пере- перевода из децибел в неперы можно пользовать- пользоваться рис.1.4. Изменение энергетического параметра в 2 раза соответствует изменению уровня на 3 дБ, в 4 раза — иа 6 дБ, в 10 раз — на 7,0 0,8 0,6 0,4 0,1 / / / ГУ у  4 $ 8 дб Рис. 1.4. Зависимость между величинами уров- уровня в децибелах и неперах для значений уров- уровня 0... Ю дБ 10 дБ, в 100 раз — на 20 дБ, в Юп раз — на Юп дБ. Изменение линейного параметра в 2 раза соответствует изменению уровня на 6 дБ, изменение его в 4 раза — на 12 дБ, изменение в 10 раз—на 20 дБ, изменение в 100 раз — иа 40 дБ, в Юп раз — на 2п-10 дБ и т. д. Если даны два уровня И надо найти «суммарный уровень», например уровень суммарной мощности, то поступают следую- следующим образом: находят разность между уров- уровнями и к большому уровню добавляют поправ- поправку, приведенную на рис. 1.5 для различных значений разности уровней. Такое суммиро- суммирование пригодно только в случаях независ»- мости процессов друг от друга. ' Пример. Заданы уровни 63, 60, 65 и62 дБ. Найти суммарное значение уровня. Первый метод (последнее суммирование). Располагают уровни в ряд > по уменьшению: 65, 63^ 62, 60 дБ. Суммируют 65 и 63 дб. Разность их равна 2 дБ, поправка из рис. 1.5 равна 2,1 дБ. Следовательно, суммарный уровень 65 + 2,1 *= 67,1 дБ. Суммируют его с уровнем 62 дБ. Разность равна 5,1 дБ, поправка будет равны 1,2 дБ. Суммарный уровень 67,1+1,2=68,3 дБ. Суммируют 2,5 г V \ \ ч 1 Термин «уровень» применяют и в других смыслах, например, для ряда значений сиг- сигнала при его квантовании. 2 4 6 8 t0 1Z14 Bf-ВьДб Рис. 1.5. Зависимость добавки к большему уровню от разности уровней при сложении двух уровней по интенсивности
его с уровнем 60 дБ. Разность равна 8,3 дБ. Поправка 0,6 дБ. Окончательно значение суммарного уровня Ns = 68,3+0,6 = 68,9 дБ. Метод удобен при небольшом числе сла- слагаемых уровней. Второй метод. Переводят уровни в отно- относительные значения для энергетических пара- параметров. По формуле К = 100>1JV находят /Св5= 3,16.10е, Л*вз= 2.10е, /Си= 1,58.10е и К«о ~ 10е. Затем суммируют полученные величины параметров: лг = C,16+ 2 + + 1,58+ 1) • 10е = 7,74.10е. По той же фор- формуле находят, что для значения параметра К = 7,74 ближайшее значение уровня 8,9 дБ. Следовательно, суммарный уровень Nz = 60 + 8,9 — 68,9 дБ. Этот метод удо- удобен при большом количестве суммируемых уровней. Последовательный метод суммирования на микрокалькуляторе без программирования для тех же уровней. В уме надо перевести децибелы в белы (уменьшить в 10 раз) и за- затем проделать следующие операции: 6,3; 10х; 6; 10х; +; 6,5; 10х; +; 6,2; 10х; +; лг; 10; X. Результат в х получится в децибелах F8,9). Если надо подряд провести несколько раз подобное суммирование, то можно ввести в микрокалькулятор следующую программу: 00 Пх1; 01 10х; 02 Пх2; 03 10х; 04 +; 05 ПхЗ; 06 10х; 07 +; 08 Пх4; 09 10х; 10 +; 11 Пх5; 12 10х: 13 +; 14 лг; 15 1; 16 0; 17 X; 18 с/п. Ввести в память хП1 Nj.; хП2 N2; хПЗ N8; хП4 N4; хП5 N5 в белах. Результат будет в децибелах. Электрические уровни. За условное (нормированное) значение нулевого уровня электрической мощности Ро принимают 1 мВт. Абсолютный уровень электрической мощности Np = 10 lg (P/Po) = 10 lg (РВт/10-з; = где ^мвт — мощность в милливаттах; ЯВт — мощность в ваттах. Этот уровень мощности измеряют в децибелах мощности (дБм). Соответственно абсолютный уровень по напряжению Nv-20 lg (?//?/„) ^20 lg (l/B/0,775) = где Uo = 775 мВ — условное (нормирован- (нормированное) значение нулевого уровня напряжения; UB — действующее значение напряжения, В; ?/мВ — действующее значение напряже- напряжения, мВ. Уровни по мощности совпадают с уровня- уровнями по напряжению при условии измерения их на сопротивлении, равном 600 Ом. Если сопротивление нагрузки RH отличается от 600 Ом, то уровень по мощности отличается от уровня по напряжению (току) на вели- величину ЛГр-Л^=1018F00/Ян) =27,8-10 lg*H, где RH — сопротивление нагрузки, Ом. Пример. Найти уровень мощности и уровень по напряжению, если сопротивле- сопротивление нагрузки 250 Ом, а напряжение на на- нагрузке 5 мВ. Уровень по напряжению Nv = 20X XlgE/775) =—43,8 дБ. Уровень по мощности Np = 101g(?/V(*HP0)) = 10 lg [E-10-»)»/ B50- 10-»)J = — 40 дБм. Эту разность между уровнями по мощности и по На- Напряжению можно найти из выражения Np — Nv= 10 lg F00/250) = 3,8 дБ. Этот расчет на микрокалькуляторе1: 0,005 В 0,775 лг 20 X х = — 43,8 — уровень, дБ, по напряжению; 0,005 х2 250 : 1000 X лг 10 X х = — 40 тоже по мощности, дБм: 600 В 250: лг 10 X х=3,8 разность уровней, дБ. Определение уровня по мощности Р(Вт) В 1000 X лг 10 X х=дБм; определение уровня по напряжению U (В) В 0,775: лг 20 X х = Ny, дБ; определение мощности по уровню Np (дБм) В 10: 10х 1000: х = Р, Вт, определение напряжения по уровню Nv (дБ) В 20: 10х 0,775 X х = U, В. Акустические уровни. За условное (нор- (нормированное) значение нулевого уровня интен- интенсивности звука принята интенсивность, рав- равная 10~12 Вт/ма или 10~e эрг/(см2-с). Абсо- Абсолютный уровень интенсивности в децибелах h = Ю lg (///„) = 10 lg (/Вт/Ю-«) = = 101g/BT+120=-101g(/8pr/10-«), где /Вт — уровень интенсивности, Вт/м2; /эрг — уровень интенсивности, эрг/(см2-с). Уровень по звуковому давлению в деци- децибелах для воздуха определяют относительно звукового давления по величине, соответ- соответствующей нулевому значению уровня интен- интенсивности для удельного акустического сопро- сопротивления, равного 400 кг/(м2-с)=40 г/(см-с)*, т. е. уровень определяется выражением Lp = 20 lg (p/p0) = 20 lg (рПа/B.10-*)) = = 20 lg рш + 94 = 20 lg [рд/B.10-«)], где р0 — условное действующее значение для нулевого уровня по звуковому давлению (ро=21О-к Па=2-10-4 дин/см8); рт — действующее значение звукового давления, Па; рд — то же самое, дин/см2. Уровень по плотности энергии в деци- децибелах для воздуха принято определять относи- относительно плотности, соответствующей нулево- нулевому значению интенсивности для скорости • звука, равной 333 м/с, т. е. уровень опре- 1 Знаки «точка с запятой» — опущены. *Так как расчеты обычно ведут для сопро- сопротивления 413 кг/(м2-с), то получается рас^ хождение между Lj и Lp, равное 0,14 дБ. 10
деляется из выражения Le — 10 lg (e/e0) — = 10 lg (еДж/C-10-")) = 10 lg (еэрг/C.10"")), где е0 = 3- Ю-16 Дж/м3 = 3-10~14 эрг/см8 — условное значение нулевого уровня по плотности энергии; еДж — плотность энергии Дж/м3; еэрг — плотность энергии, эрг/см3. Пример. Интенсивность звука равна 2х ХЮ~4 Вт/ма. Найти уровень интенсивности: L7 = 101gB.10-*/10--12) = Пример. Звуковое давление составляет 0,1 Па. Найти уровень звукового давления: Lp = 201g@,L/B.10-6)) = = 20lgE.10»)=74flB. Пример. Уровень интенсивности равен 120 дБ. Найти интенсивность и звуковое давление: Приводим те же расчеты на микрокалькуля- микрокалькуляторе. Определение уровней интенсивности и звукового давления 2 ВП 4 /—/ В 1 ВП 12 /—/: лг 10 X х = 83 (L,, ДБ) 0,1 В2ВП5/—/: лг20Х x = 74(Lp, дБ). Для уровня интенсивности 120 дБ: интенсивность 120 В 120—10: 10х х = 1 (/, Вт/ма) звуковое давление 120 В 94 — 20: 10х х = = 20 (р, Па). 1.5. ПЛОСКАЯ ВОЛНА Фронт плоской волны — плоскость, зву- звуковые лучи идут параллельно друг другу. Энергия в плоской волне не расходится в стороны, интенсивность звука практически не зависит от расстояния, прошедшего вол- волной, если пренебречь потерями на вязкость среды, молекулярное рассеяние, турбулент- турбулентное затухание и дифракцию волн. Амплитуды звукового давления и скорости колебаний в этом случае также не зависят от расстояния, прошедшего волной. Волновое уравнение для плоской волны где t — время; х — координата; р — плот- плотность среды; ра.с — атмосферное давление; V — коэффициент адиабаты. Общее решение волнового уравнения для плоской волны второй член — волна. Движущаяся (бегущая) в отрицательном направлении. Типовое частное решение волнового урав- уравнения для волны, распространяющейся в положительном направлении: p=pTOexp[ico(f—x/c)] = &t— kx)], где рт — амплитуда звукового давления; © — угловая частота колебаний; <о = 2 я /; / — частота колебаний; k = <о/с — волновое число. Скорость колебаний где с — скорость звука (скорость движения волны); первый член — волна, движущаяся (бегущая) в положительном направлении; [i(&t—kx)] = = vmexpli(o(t—x/c)], где vm = <aum — амплитуда скорости ко- колебании; um — амплитуда смещения. Удельное акустическое сопротивление для плоской волны чисто активное и составляет Ьа = Р/» = PJvm = РэЧ = Р с. В табл. 1.1, 1.2 были приведены акустические сопротив- сопротивления для плоской волны, распространяю- распространяющейся в различных средах и телах, а на рис. 1.1 —зависимость его в воздухе от вы-, соты над уровнем моря. Для воздуха при температуре 20 °С и нормальном атмосферном давлении акусти- акустическое сопротивление рс — 413 кГ/(ма-с) — = 41,3 г/(сма-с). Интенсивность звука в плоской Волне / = pmvm/2 — p9v9 — р29/(рс), где р9 и иэ — эффективные значения зву- звукового давления и скорости колебаний. 1.6. СФЕРИЧЕСКАЯ ВОЛНА Фронт сферической волны представляет собой сферу, в центре которой находится источник колебаний, а звуковые лучи совпа- совпадают с радиусами сферы. Полная мощность звука, исходящая из источника звука и расходящаяся по всем направлениям, не изменяется по величине с удалением от источника звука, если пренеб- пренебречь потерями на вязкость среды и молеку- молекулярное рассеяние, т. е. Ра = const. Интенсив- Интенсивность звука с удалением от источника звука уменьшается по квадратичному закону /г = = l\lt2, где /j — интенсивность звука на расстоянии единицы длины от центра источ- источника звука; г — расстояние фронта волны от этого центра. Звуковое давление для сфери- сферической волны с расстоянием уменьшается по Гиперболическому закону рт = pjr, где Рх — звуковое давление на расстоянии еди- единицы длины от центра источника звука. Волновое уравнение для трехмерного пространства И
во so so 40 ZO 20 to a s. ill ill III i HI' Hi liN Ul\ HI \ II \ III ill у у !i II II II V * in— II II II П II If II II II II II J 1 1 1 1 to Phc. 1,6, Зависимость фазового угла между звуковым Давлением и скоростью колебания в сферической волне от отношения радиуса вол- волны к длине волны При преобразовании координат из прямо- прямоугольных в сферические волновое уравнение имеет вид д8 (рг) _ . а2 (рг) дР ° дг* ' Общий вид решения волнового уравнения для сферической волны где первый член соответствует волне, распро- распространяющейся в положительном направле- направлении от источника звука, а второй — в отри- отрицательном (к источнику звука). кГ/мгс W — т ¦ ! 7- ¦ = : s = i- == 9 : 1 - Г'" 11 На" \ SN Г" III Г" ?'-¦ Т" Н Г "Г"" 1 i 1 1 I !! 1 1 1 0,01 0,001 OJM 0,1 1 Ю Рис. 1.7. Зависимость удельного акустическо- акустического сопротивления для сферической волны от отношения удвоенного расстояния до центра источника звука к длине волны (ша — актив- активная составляющая; q& — реактивная составля- составляющая) Типовое частное решение для волны, распространяющейся в положительном нап- направлении: Р= (P\lr) ехР [jw (t—r/c)] = = (Pi/r) exp [i (Ш—kr)]^ i (Ш—kr)], pm=p1/r, где г — расстояние от центра источника звука (радиус волны); ш — угловая частота колебаний; рх — амплитуда звукового давле- давления на расстоянии единицы длины от центра источника звука; k — (о/с — волновое число. Скорость колебаний в сферической волне i/= (vjr) exp {i [ы (t—r/c) — Щ , vjr = vm, где vx — амплитуда скорости колебаний на расстоянии единицы длины от центра источ- источника звука: ty — сдвиг фаз между звуковым давле- давлением и скоростью колебаний; tg-ф = с/(<ог) = = \/(kr) = Х/Bяг). На рнс. 1.6 приведена зависимость сдвига фаз в сферической волне от соотношения между расстоянием фронта от источника звука (от центра сферы) и длиной волны. Чем меньше отношение длины волны к радиусу волны (расстоянию от центра источника звука) тем меньше сдвиг фаз между звуковым давле- давлением, и скоростью колебаний. Определим угол сдвига фаз на расстоянии 0,1 м от центра источника звука для частоты 100 Гц (к = = 3,43 м): tg\p = c/Bnfr)=343/Bn-100-0,1) =5,48, что соответствует углу ф = 80°. Для рас- расстояния 1 м на частоте 1000 Гц (К == 0,343 м) этот сдвиг фаз составляет tgt|> = c/Bn/r)=343/Bn. 1000-1) =5,48- Ю, что соответствует углу 3°. На средних частотах для расстояний боль- больше 1 м можно не считаться со сдвигом фаз. Удельное акустическое сопротивление в сферической волне i(or + i (ОГС С2 i- (О2 Га Активная составляющая акустического сопротивления и>а = рсш2 rV (с2 + <оа г2) = pck2 i*l A + k2 r2). Реактивная составляющая <7а =рсыгс/ (са+ wa г2) = pckr/ A + k2 ra). 12
Модуль сопротивлений 1.7. ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ ВОЛНА т. е. акустическое сопротивление в сферичес- сферической волне по величине не превышает акусти- акустического сопротивления в плоской волне. На рис. 1.7 приведены активная и реактив- реактивная составляющие удельного акустического сопротивления для сферической волны. Реактивное сопротивление имеет характер инерционного сопротивления (см. разд. 4), т. е. сопротивления массы, называемой «соко- леблющейся». Сокол еблющаяся масса для всей сферы = 4яг3 р/A г2), где р — плотность среды; г — расстояние от центра сферы. При kr — 2яг/А, <; 1 соколеблющаяся масса Ма = pVa, Va = 3 Vr, где Vr — объем сферы с радиусом г. Пример. Найти активную составляющую акустического сопротивления сферической волны и соколеблющуюся массу для следую- следующих условий: гх — 0,25 м и /х = 100 Гц; г8 = 1 м и /2 = Ю00 Гц, р =- 1,2 кг/м3. Активная составляющая ша1 = 413 4л2.1002-0,252 340а + 4л210020,25г = 80,94 кг/(м2-с) ша2=413 4я2;1000а-.12 340а+4я2.10002-12 = 410,8кг/(ма-с). Соколеблющаяся масса 4я.0,253.3402 я2-10020,25а :0,194кг=194г 4я-13-3403 3402 + 4яа-1000212 при kr = 2яг/Х > 1; Ма — 4 ягр/й=фХ/п. Интенсивность звука в сферической волне связана со звуковым давлением следующим соотношением: / = рт/Bрс) = pl/(pc), где рэ — эффективное значение звукового давле- давления; рт — амплитудное значение звукового давления. Для цилиндрической волны фронт волны имеет круглую цилиндрическую форму, ось цилиндра совпадает с осью источника звука, а радиусы цилиндра — со звуковыми лучами (если источник звука имеет бесконечную длину). Интенсивность звука в цилиндрической волне с расстоянием от источника звука убы- убывает по гиперболическому закону /г — 1х1г, а звуковое давление — по закону рг = Р\1~^г. Цилиндрическая волна имеет место при озву- озвучении пространства с помощью длинных прямолинейных цепочек громкоговорителей (см. разд. 8). 1.8. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ВОЛН Интерференция звуковых волн возникает при одновременном распространении двух или нескольких волн, распространяющихся в раз- разных направлениях. Наибольший интерес имеет случай, когда две звуковые волны с одинаковыми амплитудами распространяются в противоположных направлениях, т. е. обра- образуется стоячая волна с пучностями и узлами. Расстояния между соседними узлами, как и расстояния между соседними пучностями, равны половине длины волны (рис. 1.8), а между пучностью и соседним узлом — четверо ти волны. В пучности давления амплитуда звукового давления равна удвоенной амплиту- амплитуде бегущей волны, в узле амплитуда равна 1 У4. w Рис. 1.8. Распределение амплитуд звукового давления и скорости колебаний при интерфе- интерференция: •а — для одинаковых амплитуд звукового давления; б — для скорости колебаний; в ~- для неодинаковых амплитуд звукового давления
Робр /-Pup — (Ртах ~~ PmIn) / (Ртах +" Pmin) - A — 6)/A 4-6), a Pmin/Pmax = 6, где б - коэффициент бегу- бегущей волны. В этом случае поток энергии создается только бегущей волной. Плотность энергии состоит из двух составляющих — плотности бегущей волны и плотности стоячей волны: Рис. 1.9. Иллюстрация отражения волн нулю. Пучности давления и пучности скорости колебаний не совпадают друг с другом, а находятся на расстоянии четверти длины волны (рис. 1.8, а и б). Точно так же в пучно- пучности скорости колебаний амплитуда ее полу- получается удвоенной. В стоячих волнах поток энергии равен нулю, поэтому их характеризуют или плот- плотностью энергии, или квадратом звукового давления. При неодинаковых амплитудах прямой и обратной волн стоячая волна образу- образуется из обратной волны и части прямой, по амплитуде равной амплитуде обратной волны. Остальная часть прямой волны образует бегу- бегущую волну (рис. 1.8, в). Амплитуда ее по звуковому давлению Рбег = Рпр - Робр- В пучности такой комбинаиии волны амплитуды обеих волн складываются ртах = = Рпр + Po6d» в Узле ~ вычитаются; pmIn = — рп — Робр. Если известны значения амплитуд давлений в пучности и узле, то 1.9. ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКА Если звуковая волна встречает на своем пути какое-либо препятствие или другую среду с иными параметрами, то происходит отражение звуковой волны. Законы отраже- отражения звуковых волн аналогичны законам отражения световых волн: угол падения ф! равен углу отражения щ (рис. 1.9). Эффективность отражения характеризуют коэффициентом отражения. В акустике коэф- коэффициентом отражения называют отношение интенсивности отраженной звуковой волны Уотр к интенсивности падающей волны /Пад. т. е. коэффициент отражения Рис 1 10 Распределение амплитуд звукового давления при отражении с различным сдви- сдвигом фаз: а-без сдвига фаз; б - со сдвигомi <j>aj иа 90; в- со сдвигом фаз иа 180 ОЬотр = ' пад- Эффективность отражения зависит от степени различия акустических сопротивле- сопротивлений обеих сред: если падающая волна имеет звуковое давление рПад. т0 звуковое давление в отражённой волне Ротр==Рпад (апад где ftOTP и а„ад - удельные акустические сопротивления среды отражающей и среды, в которой рассматриваются явления отраже- отражения; Р — модуль коэффициента отражения по давлению; 4> сдвигфаз в волнах давления при отражении. Прн отражении получается сдвиг фаз между звуковыми давлениями падающей и отраженной волн. Если сопротивления обеих сред активны, то сдвиг фаз равен или нулю (когда сопротивление отражающей среды больше сопротивления первичной среды), или 180° (когда сопротивление отражающей среды меньше сопротивления первичной среды). Если одно или оба акустических сопротивле- сопротивления имеют реактивные составляющие, то сдвиг фаз получается между 0 и 180 . Коэффициент отражения по интенсивности определяется по формуле Диад— йпад 4-Дотр Определим коэффициент отражения (по интен- интенсивности звука) от границы раздела воздуш- воздушных масс с температурами 20 и 0 L. ьерем данные из табл. 1.1 и подставляем их в форму- формулу. Имеем | 428-413 «отр- 428_1-413 V 14
т. е. ничтожно малый коэффициент отражений. В случае, когда отражение происходит от границы воздуха и водяного пара, коэф- коэффициент отражения составляет 413—230 Среда 1 413 + 230 =0,08, т. е. отражается 8 % всей энергии. Если отражение происходит от воды (прес- (пресной), то коэффициент отражения 4.3-..43.Н). , 413+1,43.10е т. е. отражается 99,94 % всей энергии. Коэффициенты отражения зависят от угла падения звуковых волн, поэтому в таблицах обычно приводят величины диффузных коэф- коэффициентов отражения, измеренных для все- всевозможных углов падения волн и нормальных (для угла падения 90°). Если сдвиг фаз по давлению при отраже- отражении равен нулю (акустическое сопротивле- сопротивление отражающей среды много больше акусти- акустического сопротивления первичной среды), то у границы раздела сред получается пучность звукового давления (рис. 1.10, с), а скорость колебаний будет иметь узел колеба- колебаний. При обратном соотношении акустичес- акустических сопротивлений обеих сред сдвиг фаз для звукового давления получается равным 180°: у границы раздела будут узел звукового давления (рис. 1.10, в) и пучность скорости колебаний. Если сдвиг фаз при отражении по звуково- звуковому давлению отличается от 0 и 180°, то узлы и пучности соответственно сдвигаются от поверх- поверхности раздела сред. На рис. 1.10, б показан случай сдвига фаз на 90 . 1.10. ПРЕЛОМЛЕНИЕ ЗВУКА Звуковая волна, падая на поверхность раздела двух сред, как и световая волна, частично проходит в другую среду. При этом происходит преломление волны, т. е. если волна падает на поверхность раздела под углом фх, то в следующей среде направление движения волны (звукового луча) будет под углом фа. Отношение угла падения к углу преломления (рис. 1.11) определяется отноше- Рис. 1.12. Иллюстрация изгиба звуковых волн при изменении скорости звука: а — при уменьшении ее; б — при уве- увеличении сг cpeffal Рис. 1.11. Иллюстрация преломления волн нием скоростей распространения звуковых колебаний в этих средах: sin фх/sin ф2 = = Cj/ca, где Cj и с2 — скорости звука в обеих средах. Если удельные акустические сопротив- сопротивления обеих сред близки друг к другу, то почти вся энергия перейдет из одной среды в другую, а если при этом среды (или мате* риалы из них) будут иметь разные скорости звука, то можно сделать акустические линзы из Таких материалов (см. разд. 6). Если среда имеет переменные параметры (например, атмосферное давление и плот- плотность), то происходит изгиб звуковых волн (рис. 1.12). Например, для горизонтального распространения волны при постепенном увеличении Скорости звука с высдтой звуко- звуковой луч будет изгибаться вниз (рис. 1.12, а), а при уменьшении — вверх (рис. 1.12, б). На изгиб звуковых волн сильно влияют ветер и потоки воздуха в различных направ- направлениях. Пример. Вследствие воздушных течений и ветра скорость распространения звуковых волн изменяется на 1 м/с при изменении высоты на 2 м. Определить траекторию распро- распространения волны, если начальный угол звуко- звукового луча к вертикали 89°, а скорость распро- распространения 340 м/с. Будем считать, что скорость звука меняет- ся скачками по 1 м/с. При падении на сосед- соседний слой под углом 89° произойдет преломле- преломление звукового луча. Угол с вертикалью будет составлять фх = arcsin l(cjco) $шф0]. Под- Подставляя в эту формулу 89°, получаем угол Фх = arcsin [C39/340) sin 89°] = 85,5°. В этом Увеличе ние с Уменьшение с 15
Рис. 1.13. Траектория звукового луча прн рас- распространении его вдоль земной поверхности, если скорость звука изменяется с высотой слое луч будет находиться до встречи со следующим слоем. Определим по той же формуле угол преломления при переходе луча в следующий слой. Он равен 83,7Ь. Для следующего слоя получим 82,3° и т. д. Для десятого преломления угол будет составлять 76°, Для тридцатого — 61,9°. При этом луч отклонится от горизонтали на 60 м и будет находитьсй от первой точки преломления на 240 м. На рис. 1.13 нанесена расчетная траек- траектория этого луча. 1.11. ДИФРАКЦИЯ ВОЛН Если размеры препятствия имеют величи- величину меньше длины звуковой волны или волна падает близко к краю препятствия (по сравне- сравнению с длиной волны), то волна дифрагирует вокруг препятствия (рис. 1.14). Конкретные случаи рассматриваются в § 2.3 (дифракция волн вокруг головы человека), в разд. 5 (дифракция воли около микрофона различной формы: шар, цилиндр, куб) и в § 6.5 (дифрак- (дифракция около акустического экрана). 1.12. ЗАТУХАНИЕ ВОЛН В реальных средах звуковые волны затухают вследствие вязкости среды и молеку- молекулярного затухания. На рис. 1.15 приведены зависимости затухания звуковых волн из-за вязкости при распространении их в сухом воздухе (от часто- Рнс. 1.14. Иллюстрация дифракции звуковых волн ты колебаний и температуры), а на рис. 1.16 — зависимости для молекулярного затухания от частоты, влажности и температуры. Обе зависимости дают затухание в децибелах на километр. Полное затухание N определяется суммой затухания из-за вязкости NB и молекулярного vVM. Для определения молекулярного затуха- затухания по рис. 1.16, проводим прямые: . а) от заданной точки на оси температур (см. вертикальную ось внизу на рис. 1.16) по горизонтали влево до пересечения с кривой заданной относительной влажности, далее по вертикали вверх до середины области Т, по горизонтали вправо до пересечения с кривой заданной частоты и затем по вертикали вниз до пересечения с осью абсцисс графика частот F; б) от заданной точки на оси температур по горизонтали вправо до пересечения с кривой М, далее по вертикали вверх до пересечения с осью абсцисс графика М. Полученные таким образом на абсциссах точки г и М соединением прямой, в точке пересечения которой со шкалой декрементов отсчитываем искомую величину NM по мас- масштабу километрического затухания. Пример. Найти молекулярное затухание для температуры 15 °С, влажности 50%, частоты 3 кГц. Из номограммы рис. 1.16 для этих данных находим молекулярное затуха- затухание, равное 4,3 дБ/км, и коэффициент затуха- затухания (х — 250 см, а из рис. 1.15 — значение вязкого затухания, равное 0,9 дБ/км. Общее затухание составит 5,2 ДБ/км. Звуковые волны затухают при распростра- распространении вдоль поглощающей поверхности. При этом чем больше коэффициент поглощения этой поверхности, тем большее затухание она вносит в распространяющуюся волну. В за- зависимости от частоты затухание растет с уве- увеличением длины волны (уменьшением частоты). Например, при распространении звуковой вол- волны касательно к поглощающей поверхности (например, публики) происходит значительное затухание звука. Так, на частоте 800 Гц зву- звуковое давление уменьшается по квадратичному закону вместо гиперболического. Точнее, на этой частоте звуковая волна, испытывает до- дополнительное затухание на 21 дБ при десяти- десятикратном изменении расстояния (общее затуха- затухание получается равным 41 дБ). На частоте 250 Гц дополнительное затухание составляет 3 дБ, а на частоте 6400 Гц — 8 дБ. На рис. 1.17 приведена эта зависимость. Особо следует сказать о законах распро- распространения звука на большие расстояния (свыше 1 км). Оказалось, что кроме склассиче- ' ского» затухания, определяемого по рис. US и 1.16, учитывающего влияние вязкости среды и молекулярного затухания, более существенную роль играет затухание из-за турбулентности воздуха. Это затухание определяется ветром и в немалой степени потоками воздуха в вертикальном направле- направлении* (из-за разности температур земли и воз- воздуха, а также разности давлений по высоте). 16
По одним данным это затухание определяется экспоненциальной функцией [ехр (—2 г/3)], а по другим — специальными эксперимен- экспериментальными кривыми. Сравнение их показало, что экспериментальное затухание почти всегда дает завышенные данные по сравнению с экс- экспоненциальной. На рис. 1.18 приведены сред- средние значения дополнительного (кроме влияния вязкости и молекулярного затухания) зату- затухания, измеренного на расстояниях 1; 2 и 4 км, и усредненное а также дано затухание звука в акустической тени — кривая Т. Дополнительное затухание имеет большой разброс в зависимости от разных неучтенных факторов. На низких частотах дополнитель- дополнительное затухание почти не зависит от расстояния до источника звука, на высоких частотах для расстояний свыше 4 км это затухание также почти не зависит от частоты, поэтому на даль- дальних расстояниях высоких частот практически не слышно. Акустическая тень наблюдается примерно в течение 25 ... 35 % всего времени, причем 3/4 его приходится на день. 1.13. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА В ТРУБАХ Для трубы удобнее пользоваться понятия- понятиями объемного смещения и объемной скорости. Этими понятиями пользуются и в случае рас- распространения в открытом пространстве. Объемным смещением называют произве- произведение смещения частиц и среды на поперечное сечение трубы U = uS. 10 =2 = г : : = : ! \\ V = ! — ЕЕ 1 Ч- - = i ll 7 i —— 40- Фл uWo -Zv ,,. Щ 4 4- „ И1 с | : ; ! = i : i = ::!!! «... . 0,01 zoo Рис. 1,15. Зависимость вязкого затухания плоской звуковой волны в сухом воздухе от частоты и температуры (указана на прямых) Объемной скоростью называют произведе- произведение скорости колебаний частиц среды на попе- поперечное сечение трубы Q — vS. Волновым сопротивлением называют от- отношение звукового давления р к объемной скорости Q в данном сечении трубы: ZB = = p/Q. Оно связано с удельным акустйчеб- ким сопротивлением &а соотношением ZB *= = fa/S. Полное сопротивление ZM — Fly == ~ Ь& S ~ %в 52, где v — скорость колебаний'^ Если источник звука находится в одном конце трубы с постоянным поперечным сече- г It 1 U 7 I I lit ш Г п ?. / 1 у -я* J / / ? / ч / т а\ 20 / т t 1 -t— bo /J / f/ ff 20 $r ж Влажность 60 80 // s ¦ 100% °c 20 10 0 -10 °A »._ F \ 3— \ \ s \ \ / v 4 ^\ 2 N \ N \ 5 \ V \ N 10 \ 4 —1 \ N 4 \ \ —\ \ кГц \ \ \ / \ f/ 0,1 1 /10 100 1000 "м / дб/нм 7 г j 1 r 1 1 ( M Рис. 1.16. Зависимость молекулярного затухания плоской звуковой волны от темпе- температуры, относительной влажности и частоты I 17
\ 10 20\ 30 200 400 800 1600 E200 Г,Гц Рис. 1.17. Зависимость затухания звука от частоты прн распространении его вдоль пуб- публики для десятикратного изменения рассто- расстояния нием, а другой конец трубы удален в бесконеч- бесконечность, то в такой трубе образуется плоская бегущая волна (уравнение ее см. в § 1.5). При этом предполагается, что поперечные размеры трубы значительно меньше длины волны. Для трубы конечных размеров происходит отражение звуковых волн от ее концов. В трубе образуются две бегущие волны с встреч- встречным направлением. Их сумма р = р+ехр[ио(* — х/с)] = (р+ — р-) exp [iio (t — x/c)] + + 2p_cos (iox/с) exp (i<o/), где р+ и р— — амплитуды звукового давле- давления в волнах, идущих от источника звука («прямая» волна) и к источнику (отраженная волна); (р+ — р_) — амплитуда давления в бегущей волне в том же положитель- положительном направлении, что и «прямая» волна; 2 р— cos ((ох/с) — амплитуда давления стоячей волны. 70 60 50 40 30 20 10 800 12001600 2000 2400 2800 П00 Рис. 1.18. Зависимость дополнительного зату- затухания измеренного на различных расстояниях от источника звука, и затухания, усредненно- усредненного в акустической тени (кривая Г) в зависи- зависимости от частоты Входная удельная акустическая прово- проводимость конечной трубы, закрытой с обоих концов где jx и 5а — удельные акустические сопро- сопротивления отражающих материалов, находя- находящихся на концах трубы; ре — удельное аку- акустическое сопротивление среды, заключенной в трубе; / — длина трубы. Для частот со = ляс// или / = пс/21, для которых длина волны связана с длиной трубы соотношением / = пХ/2 (где л — любое целое число), входное удельное акустическое сопротивление чисто активно и минимально: Si 52 т.е. Y вх max — 1 5вх mln Эти частоты называют резонансными частота- частотами трубы. Для трубы длиной 1 м резонансные часто- частоты будут следующими: л=1 /1Р = с/2/=343/2-1«172Гц; л = 2 /ар = с// = 343/1=343Гц; л = 3 /8р«515Гц и т. д. 2л—1 пс , 2л — 1 Для частот со = — или / =—-— X ? I 4 с Х~ , для которых длина волны связана с дли- длиной трубы соотношением / — B л — 1) А,/4, где входное удельное акустическое сопротивление имеет чисто реактивный характер и по вели- величине достигает максимума: У вхт1о= Пирс-\-(рс)/(Ь1Ы)] • Соответствующие частоты называют анти- антирезонансными. Для той же трубы антирезонаи- сные частоты следующие: Ь343 р Я =2 1 /аар— . с I 3-е 4-1 3-343 I 4-1 = 429 Гц и т. д. = 257 Гц; Для воздуха обычно' входное удельное акустическое сопротивление трубы численно равно акустическому сопротивлению воздуха для плоской волны, но с множителем —i, т. е. оно имеет реактивный характер (упруго- стное сопротивление—см. разд. 4). 18
раздел 1 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СЛУХА 2.1. ВВЕДЕНИЕ Все передачи по системам вещания, телефонной связи, звукоусиления, записи и воспроизведения звука и т. п. предназначены для человека. Поэтому для правильного проектирования и эксплуатации этих систем необходимо знать свойства слуха человека, тем более, что орган слуха человека является своеобразным приемником звука, резко отли- отличающимся от приемников звука, создаваемых человеком. Ухо человека обладает свойствами частотного анализатора, дискретным восприя- восприятием по частотному и динамическому диапа- диапазонам (аналоговый звуковой сигнал превыша- превышается в последовательность электрических импульсов двоичного типа). Все эти операции осуществляются во внутреннем ухе, в так называемой улитке. В улитке находится основная (базилярная) мембрана, состоящая из большого числа волокон, слабо связанных между собой. Вдоль основной мембраны рас- расположены нервные окончания, каждое из которых (а их свыше 20 000) возбуждается от прикосновения к ним волокон основной мембраны, посылая в слуховой центр мозга электрические импульсы. Там эти импульсы подвергаются сложному анализу, в результа- результате которого человек определяет передаваемое сообщение. 2.2. ВОСПРИЯТИЕ ПО ЧАСТОТЕ Каждое из волокон основной мембраны резонирует на вполне определенной для него частоте. Сложный звук, состоящий из ряда частотных составляющих, вызывает коле- колебания ряда волокон соответственно часто- частотам составляющих. На рис. 2.1 приведен схематический разрез улитки основной мем- мембраны. По оси абсцисс дано расстояние (в миллиметрах) от начала улитки до со- соответствующего волокна основной мембра- мембраны, там же указаны частоты, на которые отзываются эти волокна. Частоты ниже 60 Гц воспринимаются по субъективным гармони- гармоникам. На рис. 2.2 приведена эквивалентная электрическая модель слухового анализатора. В ней 140 параллельных звеньев — резона- резонаторов, соответствующих волокнам мембраны; последовательные индуктивности Lk соответ- соответствуют соколеблющейся массе лимфы. Ток в параллельных звеньях соответствует скоро- скорости колебаний волокон. На рисунке приведе- приведены числовые значения элементов модели. Модель показала хорошее соответствие реаль- реальной слуховой улитке. Разрешающая способность слухового анализатора невелика, полоса пропускания резонатора слухового анализатора, определен- Рис. 2.1. Продольный разрез улитки вдоль ос- основной мембраны ная на уровне —3 дБ, составляет для моно- урального (одноухого) слушания на частоте 300 Гц около 50 Гц, на 1000 Гц — 60 Гц, на 3000 Гц — 150 Гц. Эти полосы пропуска- пропускания носят название критических полосок слуха. Величины этих критических полосок слуха для моноурального и бинаурального (двуухого) слушания (по Флеттчеру) приве- приведены на рис. 2.3. По данным Цвикера крити- критические полоски слуха (см. рис. 2.3), названные им «частотными группами», в 2—3 раза шире, чем по данным Флетчера. Критическими полосками по Флетчеру пользуются при расчете разборчивости речи, а частотными группами по Цвикеру — при расчетах гром- громкости шума. Ширина частотных групп на частотах выше 400 Гц близка к ширине треть- октавных полос (см. кривую 4 на рис. 2.3). Воспринимаемый слухом частотный диа- диапазон ограничен снизу частотой 16...20 Гц, а сверху — частотой 20 000 Гц. В этом диапа- диапазоне человек запоминает только несколько сотен градаций частоты, причем число этих градаций резко уменьшается с уменьшением интенсивности звука и в среднем составляет не более 100...150. Соседние градации в среднем отличаются друг от друга по частоте не менее чем на 4 % (самые лучшие музыкан- музыканты не могут заметить разницы в звучании фильмов, снятых для кино, со скоростью 24 кадра/с при демонстрации их по телевиде- телевидению со скоростью 25 кадра/с, и наоборот). Человек косвенным образом может различить Рис. 2.2. Эквивалентная электрическая схема улитки: L?-21,02 • 10-3 EXP @,029 k) Ги; L* = =75,12 10-* EXP @,029 k) Гн; C*=553 • 1012 EXP @,054 k) Ф; /?*=5,825- 103 EXP (-0,013 ft) Ом; L' -0,067 Ги; /?о=7О,957 Ом 19
за 3? 28 24 20 16 Ы ^—^ ¦ - - /2- 1 Г. ГЦ 35000 **¦ \ff' W70a{ Mil Hi* ——- *>* ^* Г ^^ 4 2 "L **• 4 ОА,/~Ц 2000 1000 500 \300 :200 то \50 100 2J0O 300 500 WOO 2000 3000 500010000 Рис. 2.3. Кривые частотной зависимости ши- ширины критических полос и частотных групп слуха в герцах (правые ординаты) и в деци- децибелах I0 lgAf (левые ординаты) для моно- урального (/) и бинаурального B) слушания по Флетчеру, бинаурального слушания по Цвикеру (<?), ширина третьоктавных полос D) AfTu, 100 50 20 10 5 2 1 2 5 1020 50100 200 500 Рис. 2.4. Кривые минимально ощущаемой де- девиации тонов различной частоты \\ в функ- функции частоты МОДУЛЯЦИИ /мод 4?иГц 20 10 5 2 О 20 40 Ю С,Д,6 Рис. 2.5. Кривые минимально ощущаемой де- девиации тона частоты 1 кГц в функции уров- уровня звукового давления при частоте модуля- модуляции 4 Гц | Н,Мелы 3000 2500 2000 /SffO Г000 500 О 50 f00 200 500 2000 5000 40 300 WOO \ V \ ч / / Рис. 2.6. Зависимость между высотой звука в мелах и частотой в герцах изменение частоты до 0,3 % на средних часто* тах, например, при условии сопоставления двух тонов, непосредственно следующих друг за другом. А по биениям частот двух тонов он может обнаружить разность частот до десятых долей герца. При медленном изменении частоты тона по синусоидальному закону слух обнару- обнаруживает эти изменения, когда девиация часто- частоты составляет около 2 % от ширины частотной группы. Например, на низких частотах шири- ширина частотной группы равна 100 Гц, а мини- минимально ощущаемая девиация равна 1,8 Гц. На частотах выше 500 Гц ширина частотной группы составляет 17 % от средней частоты группы, а минимально ощущаемая девиация равна 0,35 % от средней частоты, т. е. при- примерно 2 % от ширины группы. На рис. 2.4 приведена зависимость минимально ощущае- ощущаемой девиации А / тона от частоты модуляции для разных частот тонов. Кривые даны для уровня звука 70 дБ. Как видно, наиболее заметной является частота модуляции 4 Гц. На рис. 2.5 дана зависимость минимально ощущаемой девиации от уровня тона 1000 Гц (при частоте модуляции, равной 4 Гц). Как видим минимально ощущаемая девиация почти не изменяется для уровней тона выше 40 дБ. Для частотно-модулированных шумовых полос минимально ощущаемая девиация в 6 раз больше, чем для чистых тонов. Субъективную меру частоты колебаний Звука называют высотой звука. Высота тона на низких и средних частотах до 1000 Гц для чистого тона почти пропорциональна его частоте, на высоких частотах эта зависи- зависимость близка к логарифмической. Условились высоту тона с частотой 1000 Гц и с уровнем ощущения 40 дБ считать равной 1000 мел или 10 барк A барк = 100 мел). На рис. 2.6 дана зависимость высоты тона от его частоты для уровня ощущения 40 дБ. Для звука, состоящего из ряда составляю- составляющих, его высота связана с частотами и интен- сивностями составляющих сложным образом. В тех случаях, когда надо выдержать субъек- субъективный масштаб по частоте, пользуются зависимостью рис. 2.6. Приближенно этот масштаб считают линейным до частоты 800... 1000 Гц и логарифмическим выше часто- частоты 1000 Гц. Такой комбинированный масштаб для практики неудобен, поэтому применяют логарифмический масштаб. За единицу высо- высоты в атом случае принимают октаву и ее доли. Октава представляет частотный интер- интервал, для которого отношение крайних частот равно 2. В табл. 2.1 приведены частотные границы и средние значения частот для ок- тавных диапазонов. Средние значения округ- округлены. Измерительные октавные диапазоны иногда делят на полуоктавные и третьоктав- ные. Их границы определяют из той же таб- таблицы и табл. 2.2, в которой даны средние частоты третьоктавных полос (A/i/зокт) фильтров, широко применяемых в измеритель- измерительной электроакустической аппаратуре. 20
Таблица 2.1. Октавные диапазоны и их средние частоты1 Границы октавы, Гц 22,4...45 45...90 90... 180 180...355 355...710 710... 1400 1400...2800 2800...5600 5600... 11 200 11 200...22 400 Средняя частота, Гц Ширина полосы, дБ Границы октавы, Гц Гостированные измерительные октавы 31,5 , 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16 000 Измерительные 12Д..25 25...50 50... 100 100...200 200...400 400...800 800... 1600 1600...3200 3200...6400 6400... 12 800 12 800...25 600 17,5 35 70 140 280 560 1120 2240 4500 9000 18 000 13,5 16,5 19,5 22,5 25,5 28,5 31,5 34,5 37,5 40,5 16...31.5 31.5...63 63... 125 125...250 250...500 500... 1000 1000...2000 2000...4000 4000...8000 8000... 16 000 Средняя частота, Гц 22,5 1 45 90 180 360 710 1400 2800 5650 11 300 октавы для фильтров старого выпуска 11 14 17 20 23 26 29 32 35 38 41 1 «средние частоты определены как среднегеометрические. 18,8...37,5 37,5...75 75... 150 150...3О0 300...600 600... 1200 1200...2400 2400...4800 4800...9600 9600... 19 200 26,5 53 105 210 425 850 1700 3400 6800 13 600 Ширина полосы, дБ 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 12,8 15,8 18,8 21,8 24,8 27,8 30,8 33,8 36,8 39,8 Границы третьоктавных полос по отноше- отношению к средней частоте полосы определяются отношениями 2~1/6: 1 = 0,891 и 1 :21/6 = = 1,122, а ширина полосы = 0,231 /ср. В табл. 2.2 приведены величины шири- ширины третьоктавных полос в герцах и в лога-* рифмических единицах — в децибелах, т. е. 10 lg Д /j .3 окт- Последними часто пользуются при расчетах. В логарифмическом масштабе пользуются следующими соотношениями между частота- частотами в герцах и единицах длины: , 1) для равномерного построения частот- частотных зависимостей (предпочтительный ряд): SO 20 10 50 700 200 500/0002000 5000 р~ц Рис. 2.7. Кривая огибающей эквивалентного, дискретного спектра для белого шума * f, Гц ед. длины f, Гц ед. длины 2) для f, Гц ед. длины 1 Гд ед. длины . . . 100 ... 0 ... 355 ... 5,5 112 0,05 400 6 неравномерного: ... 100 ... 0 ... 450 ... 6.5 120 0,8 500 7,0 125 1 450 6,5 140 1,5 550 7,4 140 1,5 500 7 160 180 2,0 2.6 600 650 7,8 8,1 160 2 560 7,5 200 ' 3,0 700 8,4 180 2,5 630 8 225 3,5 800 9,0 200 3 710 8,5 250 4,0 900 9,5 224 3,5 800 9 275 4,4 1000 10,0 250 4 900 9,5 300 4,8 280 4,5 1000 10 350 5,5 315 5 400 6,0 21
Таблица 2.2. Параметры третьоктавных Измерительные < Границы полос, Гц 16...20 20...25 25...31.5 31.5...40 40...50 50...63 63...80 • 80... 100 100... 125 125... 160 160...200 200...250 250...315 315...400 400...500 500...630 630...800 800... 1000 1000... 1250 1250... 1600 1600...2000 2000...2500 2500...3150 3150...4000 4000...5000 5000...6300 6300...8000 8000...10 000 10 000... 12 500 12 500... 16 000 16 000...20 000 20 000...25 000 fr , Гц» 17,9 22,4 28,0 35,5 44,7 56,1 71,0 89,4 112 141 179 224 280 355 447 561 710 894 1120 1410 1790 2240 2800 3550 4470 5610 7100 8940 11200 14 100 17 900 22 400 фильтры ГЦ 4 5 6,5 8,5 10 13 17 20 25 35 40 50 65 85 100 130 170 200 250 350 400 500 650 850 1000 1300 1700 2000 2500 3500 4000 5000 полос1 1/3 окт ДБ 6 7 8,1 9,3 10 11,1 12,3 13 14 15 16 17 18,1 19,3 20 21,1 22,3 23 24 25,4 26 27 28,1 29,3 30 31,1 32,3 33 34 35,4 36 37 Нормализованные f .Гц* 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10 000 12 500 16 000 20 000 Гц 3,6 4,6 5,8 7,3 , 9,2 11,5 14,5 18,5 23 29 36,5 46 58 73 92 116 146 183 230 290 365 460 580 730 920 1160 1460 1830 2300 2900 3650 4600 фильтры /3 окт дБ 5,6 6,6 7,6 8,6 9,6 10,6 11,6 12,6 13,6 14,6 15,6 16,6 17,6 18,6 19,6 20,6 21,6 22,6 23,6 24,6 25,6 26,6 27,6 28,6 29,6 30,6 31,6 32,6 33,6 34,6 35,6 36,6 1 Приведены нормализованные параметры третьоктавных полос, так как десятикратный интервал содер- содержит 3,322 октавы, а не 31/3. Значения средних частот и ширины полосы для удобства пользования несколь- несколько округлены. * Эти частоты определены как среднегеометрические. Здесь даны интервалы для диапазона 100 ... 1000 Гц. Для частотных диапазонов 10 ... 100, 1000 .. 10000 и 10 000 ...100 000 Гц эти интервалы по оси частот соответственно составляют 0,1; 10 и 100 от приведенных выше интервалов для диапазона 100 ...1000 Гц В силу дискретности восприятия слух как бы превращает сплошной спектр в дискретный, состоящий из конечного числа составляющих по числу критических поло- полосок слуха, охватывающих частотный спектр fcP, Гц .... 50 L, дБ 19 /ср, Гц .... 1370 L, дБ 23,5 fcp, Гц .... 7000 L, дБ 32 звука (шума). Поэтому для получения стабиль- стабильного шума в практике используют дискретный спектр, состоящий из тональных составляю- составляющих. На рис. 2.7 приведена огибающая диск- дискретного спектра, заменяющего измерительный шум со сплошным спектром типа белого шума. Так, например, для получения белого шума с общим уровнем 42 дБ надо брать следую- следующие частоты с относительными уровнями, приведенными ниже: 150 20 1600 24 8500 32,5 250 20 1850 24,5 10500 34 350 20 12150 25 13500 35 450 20,5 2500 ,26 570 21 2900 26,5 700 21,5 3400 27,5 840 22 4000 28,5 1000 22 4800 29,5 1170 23 5800 30,5 22
Но если взять гармонический спектр с ос- основной частотой не выше 80 Гц и с одина- одинаковыми уровнями каждой гармоники, то такой спектр также будет восприниматься как сплошной белый шум. 2.3. ВОСПРИЯТИЕ ПО АМПЛИТУДЕ Порог слышимости. Если волокно основ- основной мембраны при своих колебаниях не достает до ближайшего к нему нервного окончания, то человек такой звук не слышит. Но как только при увеличении амплитуды колебаний волокна оно коснется нервного окончания, произойдет это раздражение. Нервное окончание сразу же начнет посылать электрические импульсы в слуховой центр мозга, и звук будет услышан. Этот скачко- скачкообразный переход из слышимого состояния в неслышимое и обратно называют порогом слышимости. Абсолютное значение слухово- слухового ощущения на пороге слышимости мало, но все же имеет вполне конечное значение. Порог слышимости зависит от частоты. На рис. 2.8 приведены эти зависимости, при- причем по оси ординат для удобства отложены уровни звукового давления. Часто приходит- приходится иметь дело с различными зависимостями порога слышимости от частоты (см. рис. 2.8). Разница между ними обусловлена различи- различием в условиях измерений порога. Так, напри- например, кривая 2 на рис. 2.8 дана для случая измерения уровня тона в точке звукового поля до размещений в ней головы человека и при слушании двумя ушами (этот порог называется бинауральным порогом по полю). Кривая 1 дает порог слышимости для уровней звука, измеренных около ушной раковины при слушании через телефон (моноуральный порог по давлению). Кривая 2 представляет порог для фронтального падения звуковой волны (фронтальный порог), кривая 3 —для всестороннего (диффузный порог). На рис. 2.9 приведена частотная зависи- зависимость разности уровней звукового давления в свободном поле, измеренном в точке, со- соответствующей центру головы, и в слуховом канале. На рис. 2.10 приведена частотная зависимость разности уровней порога слыши- слышимости при бинауральном и моноуральном слушании. Пороги слышимости имеют значительный разброс в первую очередь из-за возрастных изменений, а также из-за условий работы. Статистическое исследование порогов слыши- слышимости у посетителей Всемирной выставки в Нью-Йорке в 1931 г. дало результаты, приведенные на рис. 2.11. Пороги слышимос- слышимости определялись для бинаурального слушания в свободном поле в случае фронтального падения звуковой волны. Уровень ощущения. При плавном увели- увеличении интенсивности звука выше пороговой слуховое ощущение нарастает скачками по мере увеличения числа возбужденных нервных окончаний. 30 20 10 -го -20 N Ч \ \ s S У <* / К 'У тч 50 700 200 400 6001000 2000 40006000 Рис. 2.8. Частотная зависимость уровней поро- порога слышимости: / — для бинаурального слушания, когда давление создается множеством источников звука, беспорядоч- беспорядочно расположенных в горизонтальной плоскости во- вокруг головы (диффузный • порог); 2 — для бинау- бинаурального слушания, когда давление создается источником звука, расположенным на некотором расстоянии перед слушателем (фронтальный порог); 3 — для моноурального слушания, когда давление в ушной раковине создается с помощью телефона (порог по давлению) Значения скачков А///о могут быть найдены из рис. 2.12, на котором приве- приведены едва заметные относительные измене- изменения интенсивности звука в зависимости от частоты тона. Из рисунка следует, что на высоких и средних уровнях порог заметности изменения интенсивности звука составляет 0,05 на частоте 1000 Гц; 0,15 — на 100 Гц и 0,12 —на 8000 Гц. На низких уровнях 10 0 -ю -20 -V* • ••• I» > й I - »¦ У ISO" 90" С 1 §^ • ч, S • • J Ч .. 100 500 1000 2000 4000Г/Ц Рис. 2.9. Частотная зависимость уровней зву- звукового давления у входа в слуховой канал и звукового давления в свободном поле, изме- измеренного в точке, соответствующей центру го- головы под разными углами прихода звуковой волны: / — кривая разности уровней звукового давления у барабанной перепонки и звукового давления в по- поле для «р»=0о: 2 — кривая разности уровней звуково- звукового давления у барабанной перепонки и звукового давления у входа в слуховой канал. Параметр кри- кривых — угол между направлением звука и средин- срединной плоскостью головы 23
мм / - - " ¦ 1 f 1 100 200 Щ 500 800/0002000 50008000 Рис. 2.10. Частотная зависимости разности уровней порога слышимости при монаураль- ном и биноуральном слушании A4L 200300 500 8001000 200030005000f.ru, Рис. 2.П. Статистическая частотная зависи- зависимость порога слышимости при би на ура льном слушании в свободном поле для случая фрон- фронтального падения звуковой волны (параметр кривых — процент лиц, пороги которых лежат ниже величины параметра) AI/I Щ15 1152505001000 4000 02,5 2000 8000 Рис. 2.12. Частотная зависимость порога за- метности относительно изменения интенсивно- интенсивности тона Д/// (параметр кривых — уровень ощущения тона) 1 A V \ щ s i ощущения эти значения значительно больше: для уровня 30 дБ они соответственно состав- составляют 0,6 на частоте 100 Гц; 0,35 — на 1000 Гц и 0,4 — на 8000 Гц. Следовательно, порог заметности изменения интенсивности на вы- высоких и средних уровнях ощущения состав- составляет 0,2 ... 0,6 дБ, на низких уровнях он доходит до нескольких децибел, а в среднем немного менее 1 дБ. Увеличение уровня интенсивности тона в конце концов приводит к появлению ощуще- ощущения боли, наступает болевой порог, который на максимуме составляет по интенсивности около 1 Вт/м2, тогда как минимальный порог слышимости составляет на частоте 3000-Гц около 10~13 Вт/м2, поэтому динамический диапазон по уровню звука от порога слыши- слышимости до болевого порога равен 130 дБ. Между болевым порогом и порогом слыши- слышимости несколько сотен элементарных скачков ощущения, причем на низких и высоких частотах их значительно меньше, чем на средних. Дискретность восприятия слуха по частоте и амплитуде дает около 22 000 элементарных градаций во всей области слухового восприятия, ограниченных снизу порогом слышимости, сверху — болевым порогом и охватывающей диапазон частот 20 ... 20 000 Гц. Вебер и Фехнер сформулировали следую- следующий закон ощущения звука: одинаковые относительные изменения раздражающей силы вызывают одинаковые приращения слу- слухового ощущения, т. е. слуховое ощуще- ощущение попорционально логарифму раздражаю- раздражающей силы: Е = a lg (///п.с)» где /п.с — раз- раздражающая сила на пороге слышимости. Величину Е называют уровнем ощущения. При а = 10 уровень ощущения выражается в децибелах: Е = 10 lg (///п.с)- Уровень ощущения E — Lj — ?п.с» где ^-п.с — уровень порога слышимости; Lj = 10 lg / + 120 — уровень интенсивности звука /, Вт/м2. Уро- Уровень ощущения представляет собой уровень над порогом слышимости, т. е. относительный уровень. Громкость и уровень громкости. Уровень ощущения неточно характеризует субъек- субъективное ощущение. Введено понятие уровня громкости. Условились за уровень громкости любого звука (или шума) принимать уровень в децибелах равногромкого с ним чистого тона 1000 Гц. За единицу уровня громкости принят фон, поэтому LG, фон = t7 юоо Гц, дБ при Gx — Gjooorv гДе Gx и Оюоогц — громкости испытуемого звука и тона 1000 Гц. Чтобы определить уровень громкости какого- либо звука, достаточно взять чистый тон 1000 Гц и изменять его уровень до тех пор, пока его громкость не будет на слух одинако- одинаковой с громкостью определяемого звука. При этом искомая величина уровня громкости этого звука будет численно равна уровню эталонного тона A000 Гц). На рис. 2.13 при- приведены кривые равной громкости, опреде- 24
Порог УроВень Ролевого громкости, pf/?ff ^ощущения f2Q <poHt 140 /20 WO 80 60 40 20 О громкости. Фон щщ .. 70 ? —- * at- t\71 /У. 5000Ю000 го wo 500 WOV a) Рис. 2.13. Кривые равной громкости для бинаурального (а) н моноурального (б) слу- 3 456 8 Z Z4S68 Z 34S68 1000 б) шания. Параметр кривых — уровень громкости лениые для чистых тонов при слушании двумя ушами. Пример. Задан чистый тон с частотой 100 Гц и уровнем звукового давления, равным 60 дБ. Найти его уровень громкости при слушании в свободном поле. Линии, соответ- соответствующие абсциссе 100 Гц и ординате 60 дБ, на рис. 2.13, а пересекаются между кривыми с параметрами 30 и 40 фон. Следовательно, уровень громкости определяемого тона равен 35 <Ьон. 1о мере повышения уровня кривые рав- равной громкости приближаются к прямой линии, параллельной оси частот, т. е. уровни гром- громкости и звукового давления сближаются. . Если слушание радиопередачи ведется в среднем на уровне громкости 80 фон, то при этом почти все частотные составляющие звучат одинаково громко независимо от их положения в частотном диапазоне. При умень шении усиления приемника на 30 дБ, если хотим, чтобы громкость низкочастотных сое-, тавляющих около 100 Гц осталась в том же соотношении с громкостью средних частот, необходимо поднять их уровень на 17 дБ (см. рис. 2.13, а). Поэтому в радиоприемни- радиоприемниках высшего класса для слушания на низких уровнях вводится соответствующая коррек- коррекция на низких частотах. Когда измеряют высокие уровни гром- громкости шумов, то частотная характеристика измерителя шумов (шумомера) берется близ- близкой к равномерной, что соответствует субъек- субъективному восприятию на высоких уровнях громкости (см. рис. 2.13, а, кривые от 80 фон* и выше). Но когда измеряют уровни гром- громкости шумов низкого уровня, то показания шумомера близки к субъективному ощуще- ощущению громкости только в случае, если в шумо- ' мере введена коррекция, учитывающая то, что при этом слух воспринимает низкие частоты хуже, чем средние. Поэтому в шумомерах при измерении низких уровней громкости шумов вводятся коррекции на низких частотах в виде снижения усиления в сто- сторону низких частот. Так, если измерение проводится на уровне громкости около 50 фон, то на частоте 100 Гц усиление должно быть снижено по сравнению с частотой 1000 Гц на 17 дБ (см. рис. 2.13, а, кривая 50 фон). Вследствие этого в шумомерах имеются три вида частотных характеристик: шкала А — для уровней громкости около 40 фон (пользу- (пользуются для измерения уровней в пределах 30 ... 55 фон); шкала В —для уровня гром- громкости около 70 фон (пользуются для измере- измерения уровней в пределах 55 ... 85 фон) и шкала С — для уровней громкости выше 85 фон. Однако шумомеры дают правильные пока- показания уровня громкости только для чистых тонов или узкополосных шумов, а для спект- спектров, состоящих из нескольких составляю- составляющих, и для широкополосных спектров их показания соответствуют уровню звукового давления с поправкой по кривой равной громкости без учета взаимодействия состав- составляющих (см. § 2.3). Поэтому, чтобы не сме- смешивать показания с действительным уров- уровнем громкости, такие показания шумомера указывают не в фонах, а в децибелах (т. е. для шкалы А). Соответствующий уровень называют уровнем звука в децибелах. Уровень громкости, хотя и характеризует субъективное восприятие звука по уровню, но масштаб уровней не соответствует дейст- действительному субъективному масштабу. Напри- Например, увеличение уровня громкости на 10 фон в диапазоне уровней выше 40 фон соответст- соответствует субъективному ощущению увеличения громкости вдвое. Кстати, каждая градация громкости в музыке больше или меньше соседней вдвое (форте-фортиссимо, пиано- пианиссимо и т. п.). На рис. 2.14 приведена зависимость между уровнем громкости в фонах и громкостью в сонах, измерения для чистых тонов. Сон — единица громкости, равная громкости тона с уровнем громкости 40 фон. В табл. 2.3 приведены измеренные 25
С, ООН г W 10 1 -2 / 1 / А: ю 10' О 20 40 60 80 1,фон Рис. 2.14. Зависимость громкости тона (в со- нах) от уровня громкости (в фонах): / — экспериментальная; 2 — нормализованная уровни громкости и громкость для наиболее типовых звучаний. Для LG ^ 40 фон зависимость между громкостью G в сонах и уровнем громкости в фонах для чистых тонов может быть выраже- выражена в следующем приближенном виде: G = о, 1 а„-40) - 2 ° Заметим, что по этой формуле и табл. 2.3 получаются несколько заниженные значе- значения громкости, особенно для ее больших значений, по сравнению с экспериментальны- экспериментальными данными рис. 2.14. Введено понятие кривых равной неприят- неприятности. Они представляют собой частотную зависимость уровней интенсивности тона или узкополосного шума, субъективно ощущае- ощущаемых с одинаковой неприятностью. Эти уров- уровни определяют путем подбора такого уровня чистого тона 1000 Гц, который будет слышать- слышаться одинаково неприятно с заданным уровнем тона (или шума) на заданной частоте. На рис 2.15 приведены кривые неприятности для различных уровней (параметром кривых служит уровень тона 1000 Гц). Для широко- широкополосных шумов кривые равной неприятно- неприятности соответствуют уровням шума в полосах частотных групп. Для удобства эти кривые пересчитывают в октавные уровни и относят к средней частоте октавы. Соответствующие 80 62 125 250 500 10002000 Г,Гц Рис. 2.15. Частотные зависимости уровня зву- звукового давления тона одинаково неприятного с тоном 1000 Гц заданного уровня (параметр кривых — уровень тона 1000 Гц) кривые названы предельными спектрами. Для каждого предельного спектра определя- определяют общий уровень громкости, измеренный шумомером по шкале А. В табл. 2.4 приведены предельные спектры (ПС) для разных уровней. Число при них означает уровень шума в октавнои полосе со средней частотой 1000 Гц. В этой же таблице приведены суммарные уровни громкости всего шума для данного спектра. (Эти кривые используются при определении уровня шума по санитарным нормам.) В табл. 2.5 даны санитарные нормы для ряда учреждений и территорий. Пример. Найти уровень шума для октав- ных полос со средними частотами 125 и 8000 Гц, одинаково неприятные со звучанием полосы частот со средней частотой 1000 Гц, имеющей уровень интенсивности 60 дБ. Из табл. 2.5 для ПС-60 находим, что эти уровни соответственно равны 74 и 54 дБ. Пример. Найти уровни тонов 125 и 8000 Гц, звучащих одинаково неприятно с тоном 1000 Гц, имеющим уровень 60 дБ. Из рнс. 2.15 находим для кривой 60 дБ значения таких уровней: 80 и 55 дБ. Эффект маскировки. В условиях тишины слышны писк комара, жужжание мухи, тика- тикание часов и другие звуки, а в условиях шума и помех можно не услышать даже громкий разговор. Другими словами, в условиях шума и помех порог слышимости для приема слабого звука возрастает. Это повышение порога слышимости называют маскировкой. Величина маскировки определяется величи- величиной повышения порога слышимости для при- принимаемого звукового сигнала М = Ln.c.m — — ^-п.с.т, где Ln.c.T и 1п.с.ш—уровни порога слышимости в тишине и при помехах. При повышении порога слышимости со- соответственно изменяется и уровень ощущения. В этом случае уровень ощущения Ет = = Ю lg (///п.с.ш) = L-J — LD.c ш = Ег—М, где ЕТ — уровень ощущения того же звука в тишине. Уровень ощущения звукового сигнала изменяется при изменении уровня шумов и помех даже при неизменном уровне сигнала. Низкочастотные тоны сильнее маскируют высокочастотные, чем наоборот. На рис. 2.16 приведены кривые маскировки для ряда частот и уровней тонов. При разности частот около нескольких десятков герц величина маскировки начинает уменьшаться (из-за бие- биений), и при равенстве частот она имеет мини- минимум. Точно такие же минимумы наблюдаются и на частотах, кратных частоте маскирующе- маскирующего тона. (Это вызывается появлением биений между маскируемым тоном и субъективными гармониками маскирующего тона.) Пример. Мешающий тон * имеет частоту 400 Гц и уровень 80 дБ. Найти минимальный уровень для тона 1200 Гц, который может быть услышан на фоне мешающего тона. Изу кривой рис. 2.16 для параметров 400 Гц и 80 дБ находим для частоты 1200 Гц величи- величину маскировки, равную 60 дБ. Так как для 26
Таблица 2.3. Средний уровень громкости наиболее часто встречающихся звуков « шумов Источник шума и место его измерения Уровень громкости, фон Громкость1, сон Шумы вне помещений Шум в кабине самолета Авиационный мотор на расстоянии 5 м Громкий автомобильный гудок на расстоянии 8 м Электропоезд на эстакаде на расстоянии 6 м Шум в поезде метро во время движения Автобус (полный ход) на расстоянии 5 м Трамвай на расстоянии 10...20 м , Троллейбус на расстоянии 5 м Грузовой автомобиль в городе на расстоянии 5...20 м Легковой автомобиль в городе на расстоянии 5...20 м Большая демонстрация: с оркестром на расстоянии 5 м с пением на расстоянии 5 м Свисток милиционера на расстоянии 20 м Улица с интенсивным движением и трамваем Шумная улица без трамвайного движения Обычный средний шум на улице То же, в момент затишья днем Тихая улица (без движения транспорта) Тихий сад Производственные шумы Удары молота по стали, клепальная машина на расстоя- расстоянии 2...4 м Котельные цехи Общий шум в ткацком цехе Деревообрабатывающая фабрика (заготовительные, ка- карусельные, лесопильные-цехи) Заводы: электромеханические, автомобильные, штампо- штамповочные Цехи резиновой промышленности (вальцовочные) Вентилятор в помещении Вентиляционное оборудование у выхода отверстия вентиляционного канала сечением 1X1 м и длиной око- около 100 м Театры, школы, больницы Оркестр Зал при массовых сценах Аплодисменты Громкая музыка по радио Радиоцентр (студия во время исполнения соло) Актовые залы в школах во время перерыва Аудитория при ответах учащихся Библиотеки Больницы 128... 130 116... 120 95... 100 90 85...90 85...88 80...85 77 60...75 50...65 96 60...62 70 75...80 60...75 55...60 40 30...35 20 875... 1400 346...556 S7...88 38 25...38 25...32,2 17,1—25 13,5 4,35... 11.4 2,2...5,87 62 4,35...9.12 7,95 11.4...17Л 4,35... 11,4 3,08...4,Э5 0,975 0.36..Д62 0,097 ПО... 113 100... 103 96... 100 96...Э8 90...92 90...92 90...95 50 Машинописные бюро (незаглушеиное) на восемь маши- машинисток Шумное собрание Разговор на расстоянии 1 м: громкий обычный Громкий разговор по телефону 215...288 88...116 62...88 62..J4 38...45 38...45 38.,.57 2,2 зло) Учреждения осемь маши- 80... 100 75...Э5 60...75 80 . 40...50 55...62 30...32 25...30 20...30 60...75 65...70 65...70 55...60 55 17,1...88 11,4 .57 4,35... 11,4 17,1 0,98...2,2 3.08...4.65 0А36...0,4б 0,2...0,Зб 0,1...0.36 4.35...11.4 5,87...7,95 5,87...7,95 3.08...4.35 3,08 \ 27
Продолжение табл. 2.3 Источник шума и место его измерения Канцелярия при посетителях Коридоры Бухгалтерия без посетителей Общественная столовая Кухня при общественной столовой Уровень громкости, фон 40...45 35...40 30...35 50...52 48...50 Громкость1, сон 0,98... 1,5 0,62...0,98 0,36...0,62 2.2...2.51 1.92...2.2 Жилые помещения Комната шумная Столовая во время обеда Кухня на одну семью Комната тихая Кабинет при одном работающем Разговор трех человек в обычной комнате Шопот средней громкости на расстоянии 1м Тнкание часов на расстоянии 0,5 м Степени музыкальной громкости Форте-фортиссимо Фортиссимо Форте Меццо-форте Меццо-пнано Пиано Пианиссимо Пиано-пианиссимо Порог слухового ощущения 1 Данные громкости определены для чистых тонов. 100 90 80 70 60 50 40 30 0 40...50 45...48 25...28 25...30 20...25 45...50 20 30 0А98...2,2 1.5...U92 0.2...0.29 0,2...0,36 0,1...0,2 1.5...2.2 0.1 0,36 88 38 17,1 7,95 4,35 2,2 9,98 0,36 0 Таблиц Тип ПС-20 ПС-25 ПС-30 ПС-35 ПС-40 ПС-45 ПС-50 ПС-55 ПС-60 ПС-65 ПС-70 ПС-75 ПС-80 i 2.4. Предельные спектры шумов подуровням звукового Предельные спекгры шумов, дБ, для среднегеометрических 63 51 55 59 - 63 67 71 75 79 83 . 87 89 94 99 125 39 44 48 52 57 61 66 70 74 78 82 87 92 250 31 35 40 45 49 54 59 63 68 73 77 82 88 полос, Гц 500 24 29 34 39 44 49 54 58 63 68 73 78 83 1000 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 86 2000 17 22 27 32 37 42 47 52 57 62 . 68 73 78 давления частот октавиых 4000 14 20 25 30 35 40 54 50 55 60 66 71 76 8000 13 18 . 23 28 33 38 43 49 54 59 65 70 74 Уровень, ДВА 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 28
Таблица 2.5. Санитарные нормы по уровню шумов для учреждений связи Тип помещения Норма Для сна и отдыха Для умственной работы без собственных источников шума (конструкторские бюро, комнаты программистов, лаборатории для теоретических работ и обработ- обработки экспериментальных данных) Для речевой связи н телефонной связи (диспетчерские пункты, пульты управле- управления, кабины наблюдения, контрольно-справочная служба), ЦУС, ОУС с мало- маломощным оборудованием, лаборатории, фотолаборатории, аккумуляторные и т. п. Для конторского труда с источниками шума (а'рифмометры), для точной сборки, цеховой администрации, а также помещения, где источником шума являются люди (коммутационные залы МТС, справочные залы, АТС, переговорные пунк- пункты, бюро ремонта, служба приема телеграмм по телефону), аккумуляторы с координатной системой (автоматные залы, узлы входящих и исходящих сообще- сообщений, автоматные и стативные залы АТС, цехи прямых соединений и абонентского телеграфа), залы с аппаратурой уплотнения (релейные, воздушно-кабельные, ли- линейно-аппаратные цехи, МТС, цехи КРР АТС, тонального телеграфа), залы для обработки письменной корреспонденции, телеграмм, операционные залы, для кросса, мастерские для регулировки реле в ДШИ, лаборатории без собственных источников шума Помещения пультов, кабин наблюдения и дистанционного управления, не требу- требующие речевой связи, а также помещения с телеграфными аппаратами, аппарат- аппаратные и коммутационные залы ЦТ, фотоаппаратные, помещения с коммутацион- коммутационным оборудованием для декадно-Шаговой системы МТС и ЦТ (автоматные и стативные залы МТС, цеха прямых соединений и абонентского телеграфа), ОУС с мощным оборудованием, электроцехи с полупроводниковыми преобразовате- преобразователями тока Декадно-шаговая система и машинная АТС (автоматные залы и узлы входящих и исходящих соообщений) Лаборатории с источниками шума, а также помещения шумовых счетно-вычис- счетно-вычислительных машин, помещения перфораторных МТС и регулировочных мастер- мастерских телеграфных аппаратов Производственные помещения (на рабочих местах и на территории предприятий) электроцехи с электромашинными преобразователями тока (генераторные, венти- вентиляционные, насосные, кондиционеры), дизельные, гаражи, механические мастер- мастерские ПС-35 ПС-45 ПС-50 ПС-55 ПС-60 ПС-65 ПС-70 ПС-80 Ц.Р имечанне. ЦУС — центральная усилительная станция; ОУС — оконечная усилительная станция; АТС — автоматическая телефонная станция; ЦТ — центральный телеграф; МТС — машинная телефонная станция; КРР — кросс-распределительный вал; ДШИ — декадно-шаговый искатель. частоты 1200 Гц порог слышимости в тиши- тишине (см. кривую 2 на рис. 2.8) равен 0 дБ, порог слышимости в шуме будет равен 60 дБ. Поэтому уровень интенсивности тона 1200 Гц должен быть не менее 60 дБ. Если же мешаю- мешающий тон будет иметь частоту 2400 Гц и уровень 80 дБ, то величина маскировки на 1200 Гц (см. кривые на рас. 2.16 для парамет- параметров 2400 Гц и 80 дБ) будет равна 5 дБ. Следо- Следовательно, можно не считаться с маскировкой от действия тона 2400 Гц. На рис. 2.17, а приведены кривые маски- маскировки узкополосной шумовой помехи. Кривые отличаются от тональных только отсутствием провала из-за биений. На рис. 2.17, б приве- приведены кривые маскировки для широкополос- широкополосного шума флуктуационного типа. В этом случае величина маскировки чистого тона определяется интенсивностью шумов, попа- попадающих в одну и ту же критическую полоску слуха: порог слышимости для тона численно равен интенсивности этих шумов. Для шума с достаточно равномерным спектром и уров- уровнем выше 20 дБ пороговая интенсивность /п.с.ш — ^/А/кр' гДе Jf—спектральная плот- плотность на частоте /; Л /кр — ширина критичес- критической полоски. Если взять белый шум, то его общая интенсивность будет превышать интенсив- интенсивность в каждой из критических полосок. На- Например, для равномерного (белого) шума со спектральной плотностью, равной 10 едини- единицам, в диапазоне до 4000 Гц общая интенсив- интенсивность будет составлять 10-4000=40 000 единиц, а в критической полоске около 1000 Гц интенсивность будет 10-62= 620 единиц (А/кр = 62 Гц). Следовательно, уро- уровень порога слышимости на частоте 1000 Гц будет на 10 lg D0 000/620) = 18,1 дБ ниже общего уровня интенсивности. Громкость сложных звуков. Если тональ- тональные или шумовые составляющие попадают
в одну и ту же частотную группу, то их сум- суммирование происходит по интенсивности. Громкость такого сложного звука опреде- определяется суммарной интенсивностью, т. е. суммарный уровень для двух составляющих с одинаковым уровнем будет на 3 дБ выше и на столько же увеличится уровень гром- громкости, если уровень составляющих выше 70 дБ. При более низких уровнях следует считаться с кривыми равной громкости. пример. Заданы два узкополосных шума, находящихся в частотной группе 200 ... ... 300 Гц, уровни интенсивности их рав- равны 60 дБ. Следовательно, их уровни гром- громкости равны 53 фон (см. рис. 2.13, а), а громкости — 2,40 сон (см. табл. 2.3). Сум- Суммарный уровень интенсивности будет равен 63 дБ. Уровень громкости такого сложного звука будет равен 59 фон (см. рис. 2.13, а), что соответствует громкости 3,73 сон (см. Муд6 80 70 ВО 50 40 S0 10 го о 200 Гц ЛЧ (\ \ r\ 80 i—T 40 ?^ s ^, N4, N ¦— —> 400 Гц Q0 70 60 50 40 SO 20 10 -, r I ffi lib I \ \ IN 100_ 80 ¦-«^, 60 N 40 **> s ¦^ s -—. N 400 1200 2000 2800 3600 f, Гц 300 Гц a) 400 /200 2000 2800 3600 f/ц 2400 Гц 90 80 70 60 50 40 30 20 W О -as* V \Г L ш //Л fs 100 80 60 r\ 40 \ zo" АБ 4 s s 14. 400 1200 2000 2800 3600 f,Гц S) M,AB B0 80 70 60 50 40 30 20 /O 0 400 1200 2000 2800 3600 f/ц 1200 Гц t\ \ L f \ 1 \ \ \ Л 4 100 у во f° ^N r ) ^> ¦^. ' S > л /v ' N 400 /200 2000 2800 3600 f,Гц 3600 Гц гай / yt *** \oo V N m // // f ' 20 АБ /\ ^^ 400 1200 2000 2800 3600 f/ц Рис. 2.16. Кривые маскировки для ряда частот тонов и их уровней. По оси абсцисс отложена частота маскируемого тона, по оси ординат — величина маскировки (пара- (параметр кривых — уровень ощущения маскирующего тона; вверху каждого графика ука- указана частота маскирующего тона) 30
го 60 40 20 о v \ \ «^ ^% /Ik /\\ Ilk \ №\ //JJ\\ m 1 ' \ X ,80 \ -4 1 L 80 60 20 0 % BE 8= -''JP ¦BMP f A/ _—• == «=: rr-T »-= ?=^ 1 0,050,10,2 0,5 1 2 5 8 Г,кГц 0,02 0,05 0,10,2 0,5 1 2 5 Ги,кГц а) Ю Рис. 2.17. Кривые порога слышимости тона при маскировке узкополосным (а) и бе- белым (б) шумами (параметр кривых — уровень интенсивности, дБ) табл. 2.3). Если бы шумы находились в полосе около 1000 Гц, то соответственно табл. 2.3 уровня громкости их были бы равны 60 фон, громкости 4 сон, суммарные уровни интенсив- интенсивности и громкости 63 фон и суммарная гром- громкость 4,92 сон. Если несколько тонов или узкополосных шумов расположены по частоте так далеко друг от друга, что их взаимной маскировкой можно пренебречь, то их суммарная громкость будет равна сумме громкостей каждой из составляющих. Так, например, если взять два тона с частотами 200 и 2000 Гц с гром- громкостью 8 сон каждый, т. е. имеющих уровни громкости по 70 фон (см. табл. 2.3), то сум- суммарная громкость этих тонов будет равна 16 сон, т. е. суммарный уровень громкости такого сложного звука будет равен 80 фон (см. табл. 2.3), а не 73 фон, как это следовало бы из простого сложения интёнсивностей. Если состявляющие сложного звука рас- расположены по частоте близко друг к другу и наблюдается взаимная маскировка между ними (см. рис. 2.16), то громкость такого сложного звука будет меньше суммы гром- громкостей всех составляющих. Если расширять спектр шумов, оставляя спектральную плотность постоянной, то в пределах частотной группы громкость будет определяться суммарной интенсивностью, так как в этих пределах интегрирует интенсив- интенсивность. Если расширить спектр вдвое, то сум- суммарная интенсивность увеличится вдвое (уровень интенсивности увеличится на 3 дБ), и если полоса частот 'находится недалеко от частоты 1000 Гц, то уровень громкости воз- возрастет более чем на 3 фон, но менее, чем на 10 фон, что получается при воздействии раз- разнесенных по частоту полосок частот. Поэто- Поэтому для широкополосного шума уровень громкости выше уровня его интенсивности. На рис. 2.18 дана экспериментальная зависи- зависимость между уровнем интенсивности тона с частотой 1000 Гц, уровнем белого шума (БШ) и уровнем шума с одинаковой интенсив- интенсивностью в каждой частотной группе (равно- (равномерно воздействующий шум — РВШ), с одной стороны, и их уровнями, громкости — с другой. Там же нанесена шкала громкостей. Как и полагается, для тона уровень громкости и уровень интенсивности совпадают друг с другом. Уровень громкости белого шума получается выше уровня его интенсивности на 7 ... 10 фон. Для равномерно воздействую- воздействующего шума это приращение составляет около 13 ... 17 фон. Для сложных спектров шумов расчет громкости дан в [2.2]. При сложении основного и запаздывающе- запаздывающего (например, отраженного) речевых сигналов наблюдается приращение уровня громкости речи. При этом для слабых сигналов (до LG = 55 фон) это приращение для запазды- запаздывания на 20 мс и более составляет около 3 фон, т. е. такое, какое должно быть при сложении некоррелированных сигналов. Для сигналов с уровнями громкости выше 55 фон прираще- приращение уровня громкости получается до 5 фон при запаздывании около 50 мс. При больших запаздываниях приращение снижается до 3 фон, т. е. как при энергетическом сложении ^ 2^ 4^ ^ <5Z? /^Z; Рис. 2.18. Зависимости громкости тона 1 кГц, белого шума (Б1Е) и равномерно воздейству- воздействующего шума (РШВ) от уровня звукового дав- давления 31
s *•- -г —-. —>-. 10 40 60 80 ГОО 140 Рис. 2.19. Приращение уровня громкости в зависимости от величины запаздывания при сложении речевого сигнала с его запаздыва- запаздывающим повторением: / — уровень громкости каждого из сигналов 55 фон; 2 — уровни громкости 65 ... 75 фон сигналов. На рис. 2.19 показаны кривые при- приращения уровня громкости речи от величины запаздывания отраженного звука. 2.4. ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛУХА По данным Гельмгольца и Флетчера, в случае сложных колебаний, состоящих из нескольких частотных составляющих, попа- попадающих в разные критические полоски слуха, слух не реагирует на взаимные фазовые сдви- сдвиги между составляющими, т. е. не реагирует на форму кривой. Так, например, звучание сложных звуков типа ^ (~l)k+l 1) ^y~~—j-s\n[Bk-\)iot\ и 10 2) имеющих вид, представленный на рис. 2.20, различается на слух только из-за нелиней- нелинейности слуха, появляющейся при уровнях гро- громкости выше 60 фон. При исчезновении раздражающей силы слуховое ощущение исчезает не сразу, а постепенно уменьшается до нуля. Этот эффект называют слуховым впечатлением. Время, в течение которого ощущение по уровню громкости падает на 8,7 фон, считается постоянной времени слуха. Величина этой постоянной времени зависит от ряда обстоя- обстоятельств и даже от параметров воспринимае- воспринимаемого звука. В среднем она считается равной 150 ... 200 мс. Если к слушателю приходят два звука с длительностью менее 50 мс, но один из них запаздывает на время не более 50 мм (зона 0 на рис. 2.21), то оба звука всегда восприни- воспринимаются слитно. При запаздывании на время более 50 мс эти звуки могут восприниматься раздельно. Но если второй звук будет иметь уровень ниже первого, то он может не вос- восприниматься (зона I) или восприниматься раз- раздельно в зависимости от того, насколько уровень второго звука ниже уровня первого. На рис. 2.21 приведена зависимость между временем запаздывания и разностью уровней обоих звуков, при которых они уже воспри- воспринимаются раздельно (см. кривую /). Если звуки исходят из одного источника звука, но один из них проходит большой путь, например, из-за отражения от какого-либо препятствия, то возможность раздельного вос- восприятия этих звуков называют эхом. Если разность уровней прямого и отра- отраженного звука не превышает предела обозна- обозначенного кривой 2, то запаздывающий звук можно услышать (зона II), при превышении этого предела запаздывающий звук заметен в виде эха, но еще не снижает разборчивость речи (зона III). При разности уровней, пре- превышающих кривую 3 (зона IV), наблюдается снижение разборчивости речи из-за эха. Пользоваться этими кривыми удобно толь- только при ручном расчете, а при использовании вычислительных машин надо иметь их ана- аналитическое представление в виде аппроксима- аппроксимации. Предлагается достаточно точная аппрок- аппроксимация (точность около 1 дБ) следующего 100 вида: для кривой / ALj = — Ig AfMC — о — 45 дБ, где &t — время запаздывания, мс; для кривой 2 — AZ,2 = 35 Ig Д/Мс — 54, дБ 80 и для кривой 3 ALS = ~ Ig AfMC —,61 дБ.* 3 Пример. Слушатель находится между ис- источником звука и отражающей стеной на рас- расстоянии 17 м от них. Если коэффициент отра- отражения звука от стены близок к единице, то интенсивность прямого звука будет в 512 : 172 == 9 раз больше интенсивности отра- отраженного звука. По уровню эта разница будет составлять 10 Ig 9 = 9,5 дБ. Разность хода отраженного звука; и прямого составит 34 м, поэтому отраженный звук будет запаздывать по отношению к прямому на C4-1000)/340 = = 100 мс. Из рис. 2.21 следует, что это будет заметно. А если источник звука будет на- находиться на расстоянии 3 м от слушателя, то подставить разность хода, то Рис. 2.20. Звуковые колебания, одинаково воспринимаемые слухом *Если и 80 Д13 = — Lg Д х — 38 дБ. О 32
разность уровней будет составить 10 lg X X C + 2-17J/32 = 21,8 дБ. В этом случае это будет уже за пределами заметности (зона I). Слуховое впечатление дает возможность сравнивать частоты двух тонов при быстром переключении с одного на другой и обна- обнаруживать даже небольшую разницу между частотами двух тонов и замечать небольшие изменения частоты тоиа. Так называемая послемаскировка сигнала, вызываемая слуховым впечатлением, тем длительнее, чем выше уровень предшествую- предшествующего сигнала. Послемаскировку звуков речи часто называют самомаскировкой, и величина этой маскировки для неискаженного спектра речи примерно равна —24 дБ, т. е. на 24 дБ Ниже среднего уровня речи в каждой доста- достаточно узкой полосе частот. Это значит, если спектральный уровень речи в заданной полосе частот равен Вр, то порог слышимости от маскировки будет равен Вр + Кс — 24, где Кс — критическая полоса частот, дБ. Поэтому уровень ощущения речи по отношению к среднему ее уровню даже в отсутствие шумов и помех только от самомаскировки речи будет составлять ? = (Вр + Кс) — (Вр — 24 + + Kc)t T- е. не превысит 24 дБ. Кроме самомаскировки эффект послемаски- ровки сказывается и на восприятии речи в других полосах частот, его называют взаимной маскировкой. Обычно ею пренебрегают из-за малости. Длительность установления тональности звука и его высоты определяется временем, равным 2—3 периодам колебаний. На низ- низких частотах это время составляет 30 мс, на высоких — доли миллисекунды. 2.5. ВОСПРИЯТИЕ ИМПУЛЬСОВ Ддя тональных импульсов длительностью более 200 мс порог слышимости определяется так же, как и для непрерывного тона. Для длительности импульсов t < 200 мс порог слышимости зависит от отношения длительно- длительности импульса к 200 мс и определяется выраже- выражением /п.с = /имп 200//. Два коротких импульса воспринимаются одинаково громко, если это произведение одинаково для обоих импульсов. Для коротких повторяющихся импульсов порог слышимости падает с увеличением частоты повторений, и при частоте повторе- повторений, равной 200 Гц, порог слышимости им- импульсов равен порогу непрерывного тона. Для узкополосных шумовых импульсов (с шириной спектра уже или равной ширине частотной группы) справедливы все соот- соотношения, определенные для тональных им- импульсов. Для широкополосных шумовых им- импульсов граничная длительность импульса со- составляет только 50 мс, т. е. шумовые импульсы длительностью более 50 мс воспринимаются так же, как и непрерывный шум. При уменьше- уменьшении длительности в 10 раз, т. е. до 5 мс, порог слышимости снижается не на 10 дБ, как для 10 О -то -го -зо -40 SO -60 1 YiN к i в\ i i i w л ¦ — . - — о so 200 300 400 Рис. 2.21. Зависимость между требуемой раз- разностью уровней прямого и запаздывающего (отраженного) звуков и временем запаздыва- запаздывания отраженного звука: кривые / — граница слышимости эха, 2 — граница заметиости эха; 3 — граница мешающего действия эха; зоны: 0—слитное восприятие звуков; I—эхо неслышимо; II—эхо прослушивается;. III—эхо за- заметно, ио не мешает восприятию речи; IV — эхо снижает разборчивость речи тональных импульсов, а всего на 7 дБ. Повто- Повторяющиеся импульсы сливаются в непрерыв- непрерывный шум при. большем значении частоты повто- повторений, чем для тональных импульсов. Громкость тональных импульсов зависит от интенсивности импульса и его длительности. На рис. 2.22 приведена зависимость разнос- разности уровней тонального импульса 1 кГц и равномерного стационарного -гона от длитель- длительности импульса. Из этих данных следует, что громкость импульса определяется про- произведением интенсивности импульса на его длительность, причем граничной частотой является частота 100 Гц, т/. е. громкость им- импульсов длительностью более 100 мс опреде- определяется только его интенсивностью и не зави- зависит от длительности. Громкость повторяющих- повторяющихся импульсов растет с увеличением частоты повторений до частоты 200 Гц. При более частых повторениях громкость импульсов определяется, как и для непрерывного тона. То же самое справедливо и для узкополосных шумов. Для широкополосных, шумовых импульсов громкость импульсов1 определяется аналогич- 12 8 4 0 -4 z s ю го so юо гоо Рис. 2.22. Зависимость разности уровней то- тонального импульса 1 кГц и равногромкого стационарного тона от длительностей импульса, штриховая линия соответствует постоянству произведения интенсивности на длительность Зак. 1688 33
но громкости то'нальных импульсов. Для шумовых импульсов, имеющих спектр в поло» се частот, охватывающих несколько частот- частотных групп, громкость импульсов определяет- определяется еще и шириной полосы шума. Для повторяющихся импульсов широко- широкополосного шума громкость зависит от частоты повторений до частоты 1000 Гц. При большей частоте повторений громкость не зависит от длительности импульсов. 2.6. НЕЛИНЕЙНЫЕ СВОЙСТВА СЛУХА При воздействии звука, имеющего .одну частотную составляющую (чистый тон) с уровнем 100 дБ, человек слышит тон второй гармоники, как бы имеющей уровень 88 дБ, третьей—с уровнем 74 дБ и т. д. Наличие этих гармоник в ощущении легко прослежи- прослеживается с помощью «ищущего» тона: к уху дополнительно подается другой тон — «ищу- «ищущий», частота которого плавно изменяется в диапазоне выше частоты исследуемого тона. На каждой кратной частоте этого тона про- прослушиваются биения, как если бы в действи- действительности к уху подводились гармоники этого типа. Поэтому они называются субъек- субъективными. На рис. 2.23 приведены зависимости уров- уровней субъективных гармоник от уровня чисто- чистого тоиа, действующего на слух, Если надо определить уровень четвертой гармоники для тона с уровнем 100 дБ, то ищем пересечение кривой с параметром 4 и вертикальной пря- прямой, соответствующей уровню 100 дБ. Пере- Пересечение происходит на ординате 64 дБ. Следо- Следовательно, четвертая гармоника по своему уровню соответствует тону с уровнем 64 дБ. При слушании двух чистых тонов с частота- частотами, не попадающими в одну и ту же критичес- критическую полоску слуха, человек часто слышит 50 - 25- fff 25 50 75 tOO Li,AB Рис. 2.23. Зависимость уровней интенсивности субъективных гармоник различных порядков от уровня тона, измеренного у входа в слу- слуховой канал (параметр кривых — порядок гар- гармоники) тон разностной частоты с достаточно высоким уровнем ощущения. С меньшими уровнями он слышит тон суммарной частоты и других комбинационных частот типа mf1 ± nft, где т и п — целые числа. Например, если уровень каждого из чис- чистых тонов составляет 60 дБ, то уровень раз- разностного тона не превышает 40 дБ. При уров- уровнях составляющих, равных 80 дБ, уровень разностного тона достигает также 80 дБ. Приближенно интенсивность разностного тона растет пропорционально произведению интенсивностей первичных тоиов, т. е. уровень разностного тона Lp — Lx + L2 — 80. При воздействии на слух сложного тона, имеющего большое число гармоник, комби- комбинационные составляющие будут иметь частоты, равные частотам гармоник, тч е. только несколько изменится огибающая спектра. При воздействии на слух сложного звука, состоящего из тонов с некратными состав- составляющими, получается «засорение» спектра многочисленными комбинационными частота- частотами, по частоте не совпадающими с исходными. В громкой передаче даже при отфильтровы- вании всех частотных составляющих чиже 1000 Гц человек все же слышит низкочастот- низкочастотные составляющие, если уровень исходного звука достаточно высокий. Эти частотные составляющие являются продуктами нелиней- нелинейности в слуховом тракте. При плохомv вос- воспроизведении низких частот стремятся слу- слушать передачу на высоких уровнях; создается впечатление лучшего звучания низких частот. Правда, при этом искажение происходит и на высоких частотах, но оно менее значитель- значительно и менее заметно. 2.7. БИНАУРАЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ Бинауральным эффектом называют эф- эффект слушания двумя ушами. Он выражается в виде стереоакустического (стереофоничес- (стереофонического) эффекта, аналогичного стереоскопичес- стереоскопическому эффекту зрения, а также заключается в том, что вследствие такого слушания резко повышается точность определения направ- направления прихода звуковых воли. В обычных условиях слушания человек определяет направление прихода звуковых волн в горизонтальной плоскости с точностью 3—4°. Если к ушам приставить раструбы (рупоры) с большим расстоянием (базой) между отверстиями раструбов, то точность определения направления прихода звуковых волн повышается пропорционально увеличе- увеличению расстояния между отверстиями раструбов до тех пор, пока это расстояние не будет близко к половине длины принимаемой зву- звуковой волны. Точность определения направле- направления прихода звуковых волн в вертикальной плоскости головы не превышает 20°, такая же точность определения получается при слуша- слушании одним ухом. Стереоакустический эффект слушания заключается в том, что человек «ощущает» 34
поперечные размеры источника звука, а Так- Также его «глубину», т. е. размеры источника звука по линии прихода звуковых волн к слушателю. Слушатель на слух легко опре- определяет местонахождение того или иного инструмента в оркестре, «его координаты», т. е. слушание двумя ушами создает акусти- акустическую перспективу. Если человек слушает одну и ту же пере- передачу от двух одинаковых источников звука, расположенных на равных расстояних от него, и расстояние между источниками звука значительно меньше расстояния от слушателя (по крайней мере, в 3 ... 5 раз), то при одина- одинаковом уровне звучания источников звука виртуальный1 источник звука находится на середине между источниками звука. При неодинаковых уровнях звучания виртуаль- виртуальный источник звука смещается в сторону источника звука с более высоким уровнем звучания. Местонахождение виртуального источника звука можно определить по отно- отношению интенсивностей, создаваемых источ- ками звука (отношение интенсивностей при- примерно равно отношению расстояния виртуаль- виртуального источника звука от действительных ис- источников). Если человек слушает одну и ту же пере- передачу от источников звука (например, громко- громкоговорителей), находящихся перед ним на разных расстояниях от него (или находящих- находящихся на одинаковом расстоянии от него, но при этом один из источников воспроизводит сиг- сигнал с некоторой временной задержкой по отношению к другому источнику), то при равном уровне основного и задержанного сигналов виртуальный источник звука ощу- ощущается на месте источника звука, излучаю- излучающего опережающий сигнал, т. е. источник звука, излучающий задержанный сигнал, как бы не существует, хотя его добавление и ощущается в виде повышения гулкости звучания передачи. При временных задерж- задержках свыше 50 мс наличие запаздывающего 1 Виртуальным источником называют кажущийся источник звука, находящийся в направлении, по которому, как это кажется слушателю в отсутствие зрительного восприя- восприятия, приходит воспринимаемый им сигнал. АО т,мс Рис. 2.24. Влияние запаздывающего повторе- повторения сигнала на локализацию виртуального источника сигнала сигнала ощущается как появление помехи в виде эха, хотя местонахождение виртуаль- виртуального источника звука остается на прежнем месте. Следовательно, опережающий сигнал при одинаковом уровне с задержанным пол- полностью подавляет последний. Если же повы- повысить уровень запаздывающего сигнала, то можно добиться того, что оба источника звука будут восприниматься раздельно даже при за- запаздывании менее 50 мс. На рис. 2.24 дано не- необходимое повышение уровня запаздывающего сигнала в зависимости от временной задерж- задержки. По оси ординат дана разность уровней задержанного и основного сигналов. При задержке 15 ... 20 мс задержанный сигнал должен быть повышен по уровню на 11 дБ, чтобы оба источника звука воспринимались раздельно. 4При временной задержке 50 см достаточна разница между ними в 6 дБ; при задержке свыше 50 мс запаздывающий сигнал ощущается как эхо; при задержке менее 5 мс наблюдается неустойчивый режим: виртуаль- виртуальный источник звука совпадает то с основным источником, то с источником задержанного сигнала. Если источники звука имеют резко разли- различающийся тембр, то они могут легче разли- различаться слушателем и возможен их раздель- раздельный прием даже при равных уровнях интен- интенсивности сигналов, приходящих от них к слушателю. Эти свойства используют для создания стереоакустического эффекта и аку- акустической перспективы при воспроизведении передач с помощью электроакустических устройств, т. е. для стереофонических пере- передач. РАЗДЕЛ 3 ПЕРВИЧНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ И ИХ ИСТОЧНИКИ 3.1. ВВЕДЕНИЕ К первичным сигналам относят сигналы, создаваемые музыкальными инструментами, пением, речью (включая информационную), а также шумовые сигналы, создаваемые для сопровождения различных музыкальных и речевых художественных передач (шум поез- поезда, пение соловья и т. п.). Акустические сигналы, как правило, от- относятся к случайным процессам. Исключени- Исключением являются сигналы, подобные завыванию сирены, вою гудка и т. п. Правда, в музыкаль- музыкальных сигналах очень большие участки могут 35
иметь периодический характер, но в среднем для больших интервалов времени и музыкаль- музыкальные сигналы можно рассматривать как слу- случайные. Поэтому акустические сигналы опре- определяют распределениями по уровню, по часто- частоте и во времени и соответственно средним значением по уровню, динамическим диапа- диапазоном, формой спектра, частотным диапазоном и временем корреляции отдельных участков сигнала. 3.2. ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН И УРОВНИ В процессе любой передачи уровень акус- акустического сигнала непрерывно изменяется. Диапазон его изменения может быть довольно широким. На рис. 3.1, а показана зависимость уровня сигнала от времени, называемая уров- неграммой. Обычно она представляет вре- временную зависимость уровня, определенно- определенного для постоянных времени или 15 ... 20 мс (объективная уровнеграмма, необходимая для определения условий прохождения сигнала через аппаратуру), или 150 ... 200 мс (субъективная уровнеграмма, необходимая для оценки восприятия сигнала). Эти уровни называют кратковременными. Для измере- измерений пиковых значений пользуются уровне- граммой, представляющей временную за- зависимость пиковых уровней, определенных для постоянных времени 1...2 мс для нара- нарастания уровня сигнала и 150 ... 200 мс для спадания сигнала. С определенной степенью точности можно считать, что уровень сигнала изменяется, как правило, по случайному закону, поэтому его можно характеризовать интегральным распределением и средними значениями для этого распределения. Возьмем какой-либо уровень, например L&. Для этого уровня (см. рис. 3.1, а) можно написать, что время, в течение которого уровень сигнала' будет не ниже его, определится суммой т = Afj-f- -f Mt + ... + A/m + ... + А/„, где A/m — временные интервалы действия сигнала. Следовательно, относительное время пре- пребывания уровня сигнала над заданным w = т/Т, где Т — длительность всего участка сигнала (она должна быть достаточно боль- большой: не менее 15 с для речи и 1 м для музыки). При меньших интервалах времени распреде- распределение будет иметь значительный разброс из-за нестационарности процесса. Если таким об- образом определить величину да для разных уровней, то можно построить кривую интег- интегрального распределения уровней для данного сигнала. На рис. 3.1, б дано такое распределе- распределение для рассматриваемой уровнеграммы. Установлено, что средние распределения уровней, полученных для первичных музы- музыкальных и речевых сигналов, близки к нормальному распределению. Введено понятие квазимаксимального уровня сигнала Lmax. Для этого уровня отно- относительная длительность существования уров- уровней не ниже его равна 2 % для музыкальных сигналов и 1 % для речевых, информацион- информационных. Одновременно введено и понятие квази- квазиминимального уровня Lmin- Для этого уровня относительная длительность существования уровней не ниже его составляет соответствен- соответственно 98 и 99 %, что адекватно относительной длительности существования уровней не выше его, равной 2 и 1 % (см. рис. 3.1, б). Разность между квазимаксимальным и квазиминимальным уровнями называют дина- динамическим диапазоном: D = Lmax — Lmin- Таким образом (см. рис. 3.2) находят динами- динамические диапазоны для ряда первичных акус- акустических сигналив, включая и речевой сигнал. Некоторые из них приведены в табл. 3.1. Из таблицы следует, что вещательный динами- динамический диапазон очень широк и поэтому в большинстве случаев не может быть передан" через Тракты вещательных каналов без предварительной обработки, т. е. без сжатия (компрессии) динамического диапазона. Но и речевой информационный сигнал имеет широкий динамический диапазон по отноше- отношению к трактам связи, и поэтому его также приходится предварительно сжимать или считаться с наличием ограничения его в самом тракте передачи. Поскольку уровень акустического сигнала изменяется в широких пределах, то введено понятие среднего уровня. Средний уровень интенсивности акусти- акустического сигнала можно определить или исходя из того, как человек его ощущает, или как он воспринимается соответствующей Att At2 At, At4 At5 AtBAt7 Ata Рис З.1. Уровнеграмма (а) и по- построение (б) кривой интегрально- интегрального распределения по уровнеграм- ме; D — динамический диапазон; П — пик-фактор, w — вероятность превышения заданного уровня 36
аппаратурой: как средний статистический для отдельных длительных участков и интер- интервалов времени или как средний, измеряемый прибором, имеющим большую постоянную времени (не менее 3 ... 5 с). Для первичных сигналов необходимо знать все эти средние значения, так как первичный акустический сигнал в системах вещания и связи прини- принимается и человеком, и аппаратурой. Все эти средние значения можно измерить, если со- соответственно подбирать постоянную времени прибора. Для получения длительного сред- среднего (усредненного) значения постоянную времени берут равной 15 с для речи и 1 м для музыки. Во всех случаях среднее значение по ин- интенсивности в момент времени t0 определяется выражением J ср =Т J где ехр [—(/0 — f)lT\ представляет характер процесса регистрации сигнала с учетом «памяти» прибора вследствие наличия у него интегратора с определенной постоянной вре- времени; Т — постоянная времени интегра- интегратора-регистратора; / (t) — временная зависи- зависимость интенсивности сигнала. В .соответствии с определением уровня средний акустический уровень сигнала Lcp= 10 lg GСр//о) = + 120, (/о^ cpвт+ В табл. 3.2 приведены средние значения звукового давления, создаваемого музыкаль- музыкальными инструментами для отрывков испол- исполнения длительностью 15 с. В табл. 3.3 приве- приведены такие же данные для речи. Приведенные средние значения для музыкальных инстру- инструментов характеризуют не только мощность инструмента, но и исполняемый отрывок музыкального произведения. Разность между квазимаксимальными и усредненным уровнями (за длительный про- промежуток времени, т. е. 15 с для речи и 1 мин для музыки) называют пик-фактором: П = = Атах — *-ср (см- Рис- 3.1). Пик-фактор показывает, насколько ниже надо взять усредненный уровень передачи по сравнению с уровнем ограничения в канале, чтобы не перегружать канал. В табл. 3.2 приведены величины пиковой мощности и пик-фактора для ряда музыкальных программ, исполня- исполняемых на различных инструментах. В табл. 3.3 такие же данные приведены для речи. Для музыкальных сигналов пик-фактор доходит до 25 дБ и более, а для речевого сигнала в среднем он составляет 12 дБ. Ниже приведены данные по частоте встре- встречаемости пиков в речи: hnAn (оркестр) Рис. 3.2. Интегральные распределения уров- уровней: 1 — симфонический оркестр из 75 исполнителей: 2 — эстрадный оркестр; 3 — речь (Di=58 дБ; Dj-45 дБ; Д.-28 ДБ) Таблица 3.1 Вид сигнала Динамический диапазон, дБ га а g X А 9* 25...35 раз- 3 X ч S н2 35... 45 X ее а Л <9 си 45. X S eg и ..55 кий и 1) а* X J.5* 65...75* * Для новых видов музыкальных передач, как, на- например, поп-музыка, требуется динамический диапа- диапазон до 90 дБ и выше (иногда до ПО дБ), ио при та- таких передачах возникает перегрузка слуха, приводя- приводящая к постепенному оглушению слушающих. Для цифровой записи такой диапазон дает возможность передачи сигналов практически с уровнями 20...130 дБ. В этом выводе L ... Lcp — пределы уров- уровней, в которых лежит пиковое значение над средним уровнем речи, дБ; п — число про- промежутков (длительностью 1/8 с), в течение которых пиковое значение выше данного предела, %. Мощность голосов и соответственно уровень, создаваемый ими, имеют очень большой разброс. Ниже приведены данные 'ср . . . Выше 20 18. . .20 16. . .18 14. . .16 12. . .14 10. . .12 8. . .10 6. . .8 4. . .6 2. . .4 0. . .2 ниже 0 дб % 2 3 6 8 10 11 11 10 8 6 4 22 37
Таблица 3.2. Звуковое давление « мощность, развнваемые музыкальными инструментами Инструмент Большой барабан 90X38 см: проба А проба В Большой барабан: 75X30 см 85X48 м Барабан военный Цимбалы 37 см Треугольник Контрабас Бас-саксофон Бас-труба Тромбон Труба Английский рожок Кларнет Флейта Пикколо Рояль Орган Орган фортиссимо Оркестр из 15 инстру- инструментов в лаборатории То же, из 18 Оркестр из 75 инстру- инструментов в театре, проба А То же, проба В » проба С » проба D Расстояние, ы 0,9 0,9 0,9 0,9 1,2 0,9 0,9 1,5 1,05 1,5 0,9 0,9 0,9 0,9 1,05 1,05 3,00 3,00 3,6 . 3,6 Пульт дирижера 4,00 То же Пульт дирижера в среднем 4,5 То же » Среднее звуковое давление. Па 9,9 2,78 3,5 6,6 1,46 1,8 0,23 0,42 0,41 0,54 0,65 0,86 0,38 0,35 0,16 0,22 0,26 0,35 0,21 2,0 0,79 0,66 0,51 0,46 0,47 0,66 Пик-фак- Пик-фактор, ДБ 10 7,7 16 5,8 20,5 — — 10,8 16,6 9,7 17,5 12 11,2 11,5 — 9,8 — 13,2 8,7 14,3 10,3 17,7 27,8 21,2 24,1 Пиковое значение мощности излуче- излучения, Вт > 24,6 1,2 13,4 4,9 11,9 9,5 0,050 0.J56 0,288 0,206 6,4 0,314 0,053 0,050 0,055 0,084 0,267 0,248 0,35 12,6 9,9 2,5 8,2 66,5 13,9 13,8 Область наивысших пиковых значений, Гц 250...500 ' 20...62.5 250...500 125...250 20...62.5 250...500 8000... 11 300 5600...8000 62,5... 125 125...250 250...500 250...500 600...700 2000...2800 250...500 500...700 250...500 250...500 700... 1000 1400...2000 2000...2800 250...500 250...500 250...500 20...62.5 250...500 2000...2800 250...500 2000...2800 125...200 250...500 2000...2800 250...500 8000... 12 000 250...500 2000...2800 125...250 250...500 2000...2800 Пиковое значение в пределах полосы нацболь- шей мощности, Вт 9,8 0,24 0,19 1,7 1,2 3,7 0,95 0,017 0,078 0,078 0,228 0,082 0,064 0,051 0,047 0,047 0,053 0,0055 0,0045 0,0045 0,021 0,267 0,248 0.11 2,5 0,45 0,32 0,80 — 0,82 1,03 1,03 6,7 5,3 1,4 1,4 1,7 1,7 1,7 Флетчера по разбросу величин мощности голоса: Яа ... менее 1/16 т, % . 7 1/16. . .1/8 1/8. . .1/4 9 14 1/4... 1/2 18 Примечание. За единицу принята сред- средняя мощность голоса. Все эти данные относят- относятся к сигналам, не прошедшим обработки, в том числе и воздействия акустических свойств помещения. 1/2. . .1 22 1. . .2 17 2. . .4 9 4. ..8 4 Более 8 0 \< На рис. 3.3 приведены усредненные рас- распределения текущей мощности речи и музыки [3.4]. Как видно из этих распределений, 38
Таблица 3.3. Звуковое давление и мощность, развиваемые голосом человека при произнесении речи Условия произнесения речи Речь телефонная: со средним уровнем громкая тихая Разговор Оратор Расстояние, см 2,5 2,5 2,5 100 100 Среднее звуковое давление, Па 2 4 1 0,05 0,1 Пиковое значение мощности. мВт 0,24 4,0 0,025N 0,5 2,0 Пик-фактор, дв 12 18 8 10 12 Область наивысших 250...500 500... 1000 250...500 250...500 250...500 мода обоих распределений лежит около 0,5 w. Это означает, что наиболее вероятные значения текущей мощности w лежат при- примерно на 3 дБ ниже долговременного .(дли- .(длительного) среднего значения, мощности (w). 3.3. ЧАСТОТНЫЙ ДИАПАЗОН И СПЕКТРЫ Акустический сигнал от каждого из первичных источников звука, используемых в системе вещания, связи, телевидения и т. п., как правило, имеет непрерывно изме- изменяющиеся форму и состав спектра. Эти спект- спектры могут быть дискретными, сплошными и смешанными, высокочастотными и низкочас- низкочастотными. Дискретные спектры могут быть гармоническими, т. е. представляющими спектр сложного тона, и тональными, т. е. представляющими суммарный спектр ряда сложных тонов, некратных по частоте. Сигнал с гармоническим спектром может быть представлен в виде ряда Фурье оо МО =2 Cfeexp(i2^/r) = — оо оо = 2) Cftexp (i где Т — период колебаний; щ — угловая частота колебаний первой гармоники; k — целые числа от — оо до оо; Ch = Ck X Хехр(— iqpfc) — комплексная амплитуда; с% — амплитуда гармоники; фь — начальная фаза ее. Комплексная амплитуда Г/2 "Г J — Г/2 /(Оехр( — i2nkt/T)dt. В вещественной форме ряд Фурье имеет вид МО— 2 ,k — l sin где Со, aft и 6ft — коэффициенты Фурье: Г/2 =-р J — Г/2 Г/2 = '— \ fit) cos 2nk — dt\ — Г/2 Г/2 — Г/2 Отсюда Cft = a Спектр тонального сигнала с некратными частотами ©ft имеет вид1 1 Различают еще сигналы с почти периоди- периодическими и квазигармоническими спектрами. К первым относятся сигналы, состоящие из нескольких сложных тонов с некратными основными частотами, ко вторым — эквиди- эквидистантные спектры типа спекторов ампли- амплитудной И частотной модуляции с несущей частотой, не кратной основной частоте моду- модулирующего сигнала. РОЮ 0/5 0,1. 0,1 о \ 0,05 1 г w/w ф S7 О ч zw/W Рис. 3.3. Усредненные распределения текущей мощности речи (а) и музыки (б). По оси абсцисс отложенр отношение текущей мощно- мощности к усредненной, по оси ординат — вероят- вероятность появления этого значения 39
/@= 2 ckcos(«>ht + q>h), где <Ofe, eft и фй — частоты, амплитуды и фазы составляющих: = lim -—- \ f (t) cos ©ft /d/; '4 т 1 р =JI™ ~F 1' Для сплошного спектра его плотность (по амплитуде) оо S(©)=J /(Oexp( —i©/)d/, OS а сигнал имеет вид fit)- оо — f 2п J 5 (со) ехр (Ш) d©. Для процессов, ограниченных во времени, введено понятие текущего спектра to S (<в) = Г /(Оехр( — ia>t)dt и мгновенного1 5Мгн («>) = f / (О Л (*0-0 ехр ( — tot) dt, fOO 200 500100020005000 Рис. 3.4. Огибающая спектрального уровня В и третьоктавных уровней ^i/зокш речевого шума 1 По терминологии, принятой за грани- границей, он иногда называется кратковременным спектром. где Л (/о — 0 — весовая функция нли окно, предствляющее импульсный отклик прото- прототипа полосового фильтра. Для резонансного контура А (/0 — t) = ехр [—Д© (/„ — /)], для фильтра с П-образной характеристикой h (t0 — t) — (sin x)/x, где х — Л© (/0 — /); A© — полоса пропускания фильтра на уров- уровне — 3 дБ. В практике часто приходится иметь дело с энергетическим спектром сигнала. Под ним подразумевается огибающая квадратичных значений амплитуд частотных составляющих сигнала (для дискретных спектров) или плотности спектра квадрата амплитуд АЦх) (для сплошных спектров). Последняя будет представлять собой спектральную плот- плотность по интенсивности / (©) = k Л*(©), т. е. спектральной плотностью называют интен- интенсивность звука в полосе частот шириной в единицу частоты. В акустике эту полоску берут равой 1 Гц, т. е. спектральная плотность / = /д/Д/, где /д^ — интенсивность, из- измеренная в узкой полоске частот А/. Измере- Измерения для этой цели приводят с помощью узко- узкополосных фильтров (обычно третьоктавных). Единица спектральной плотности ватт/кв, метр на герц). Для удобства введена логарифмическая мера оценки плотности спектра аналогично оценке по уровню интенсивности. Эта мера называется уровнем спектральной плотности или спектральным уровнем. Спектральный уровень В = 10 lg(///0) = Ю Jg У + 120, где /0== Ю-1а Вт/ма, т. е. то же условное (нормиро- (нормированное) значение, что и для оценки уровня интенсивности, поэтому размерность У//о выражается в- единице на герц (Гц-1). Очень часто для представления спектра вместо спектральной плотности пользуются интенсивностью или звуковым давлением, измеренными в октавной, полуоктавной или третьоктавной полосе частот, и соответствен- соответственно определяют уровни в этих полосах. В этом случае спектральный уровень В = = Ю Jg (/окт / (Д/окт /•» = 20 lg (pOKT/po) - — 10 lg А/окт. (ро = 2-105 Па), а уровень в октавной полосе Lom = 10 lg GOKT//o) = = 20 lg(pOKT/p0), гд« А/окт — ширина соот- соответствующей октавной полосы. Вычитая первое из второго, имеем L0MT В — 10 lg A/0KT. На рис. 3.4 приведены огибающие для спект- спектрального уровня и третьоктавных уровней речевого шума. У каждого источника звука, даже того же самого типа, спектры имеют индивидуаль- индивидуальные черты, что придает звучанию этих источ- источников, как говорят, характерную окраску. Эта окраска называется тембром. Существуют понятия тембра скрипки, тромбона, органа и т. п., а также спектра голоса: звонкий, когда подчеркнуты высокочастотные составляю- составляющие; глухой, когда они подавлены по отноше- отношению к среднему голосу. Чаще всего необходи- необходимо знать средний спектр для однородных источников звука и усредненный спектр за длительный интервал времени A5 с для информационных сигналов и 1 мин — для 40
музыкальных). Усредненный спектр может быть только сплошным и достаточно сглажен- сглаженным по форме. Такие сплошные спектры хорошо характеризуются зависимостью спек- спектральной плотности от частоты и вероят- вероятностью появления уровня в октавной полосе. На рис. 3.5 приведены усредненные спект- спектры максимальной мощности для различных значений вероятности появления заданных уровней в октавных полосах, там же приве- приведены средние спектры. Эти спектры даны для речи и различных музыкальных звучаний. На рис. 3.6 приведены усредненные частотные распределения (спектральные плотности) средней мощности для речи и ряда музыкаль- музыкальных звучаний. В табл. 3.2 и 3.3 даны акустические мощ- мощности в пределах полосы с максимальным уровнем. Пример. Определить, какова вероятность появления уровня речи.на 12 дБ ниже пиково- пикового на расстоянии 30 см от рта в полуоктавной полосе частот около 1000 Гц. Из рис. 3.5, а для частоты 1000 Гц и уровня — 12 дБ нахо- находим точку, лежащую около кривой 20 %. Следовательно, вероятность появления уров- уровней выше — 12 дБ в этой полосе составляет 20 %. Когда спектры имеют спад в ту или иную сторону, то их оценивают тенденцией, т. е. средним наклоном спектральной кривой в сторону низких или высоких частот. Так, речевой спектр в диапазоне выше 500 Гц оценивают тенденцией спектра в —7 дБ/окт (спад в сторону высоких частот). Если известны спектральные или октав- ные уровни сигнала, то можно определить его суммарный уровень. Если спектр задан в форме уровней в октавных (третьоктавных или полуоктавных) полосах, то достаточно перевести эти уровни (в каждой из полос) в относительные интенсивности /окт^о = — ю • окт и затем просуммировать все эти интенсивности, а по суммарной интенсивности для всего спектра найти суммарный уровень L2 = 10 lg (/s//o) = = 10 lg B /OKT//0). Пример. Заданы уровни в октавных поло- полосах, найти суммарный уровень. 10°-1Bd/, где /„ и /н — верхняя и нижняя границы частотного диапазона. Пример. Задан равномерный спектр, со- соответствующий рис. 3.8. Спектральный уро- уровень равен 40 дБ, диапазон—20 ,.. 15 000 Гц. Соответственно имеем 10 'в lg f = 101g[10M15000 -20I = 81,9дБ, в то время как для составляющей около 100 Гц уровень в частотной группе (см. рис. 2.3) равен Lrp = В + 10 А/гр = 40+20 = 60 дБ, а в самой верхней группе A2 000—15 500 Гц) он составляет (см. рис. 2.3) Lrp = 40 + 35 = = 75 дБ. Суммарный уровень можно приб- приближенно найти путем деления частотного диапазона на п полосок Д/ь, в пределах каж- каждой из которых спектральный уровень ?& примерно постоянен. Суммарный уровень L«10lg 2 Ю "*AF Пример. В табл. 3.4 приведены спектраль- спектральные уровни для речевого сигнала на средних частотах третьоктавных полос, там же дана ширина третьоктавных полос в дБ (см. табл. 2.2). Складывая спектральные уровни с шириной полосы, получаем уровни в треть- третьоктавных полосах (графа 3 в табл. 3.4). Пере- Переводя их в интенсивности, получаем интенсив- интенсивности в относительных единицах для каждой полосы частот (графа 4 в табл. 3.4). Напри- Например, для пятой строки имеем: спектральный уровень Вь = 43,5 дБ, ширина полосы рав- равна 17,6 дБ, уровень в третьоктавной полосе Lb— 63,1, откуда интенсивность в этой полосе /ь =2,06- 10е отн. ед. Проделывая эти расчеты для всех полос, суммируем ин- интенсивности в полосах, получаем общую интенсивность /общ == 1,305* 10* отн, ед. Следовательно, общий уровень будет Loom = = 10 lg A,305-107) = 71,2 дБ. Полоса, Гц ... Уровень, дБ , . Относительная ин- интенсивность (Лжт//вИ0« 100...200 60 \ 200...400 64 2,51 400...800 66 3,98 800...1600 66 3,98 1600... 3200 63 2 3200...6400 60 1 Суммарный уровень Ls = 10 lg A4,5х Xl0*))= 71,6 дБ. Этот уровень можно найти с помощью программируемого микрокальку- микрокалькулятора, как показано в 1.4. Если заданы спектральные уровни сплош- сплошного спектра, то точное значение суммар- суммарного уровня для всего спектра определится интегралом Частотный диапазон акустического сиг- сигнала определяют из кривой спектральных уровней. Но так как нет четких определе- определений границы частотного диапазона, то |то определение можно сделать только1 прибли- приближенно на слух. Считают такими границами эаметность ограничения диапазона для 75 % слушателей./ На рис. 3,7 показаны частотные 41
80100 500 1000 а) 5000 -Г,кГц 60100 100 500 10*Гц 1 5кГц -Z0 60100 200 500 102 Z б) 60100 2Q0 500 1ОъГц2 5кГц 8) Рис. 3.5. Усредненные спектры максимальной и средней мощности: а т.«и на оасстоянии 30 см от рта- б — фортепиано, вокальной и камерной музыки; в — лег- легкой" Рн ЭстрадР„о^^музыки; г-снмфонкческой музыки (параметр кривых - вероятность непревы- шения данного уровня; штриховой линией дана кривая средней мощности; нулевой уровень по оси ординат соответствует общей максимальной мощности сигнала) ¦55 30 25 20 15 10 5 0 100 •—^ S - 's \ \ s ч -10 -АО 500 1000 5000 ?,Гц -60 -70 с ¦J 1 ¦ "«-¦ -¦ as и f 60100 260 500 1О*Гц Z 5кГц -20 -40 -60 -г —1__ —г_ - -20 -40 -60 —s— 60100 200 500 10s 2 5ffu, 60100 200 500 103Гц2 5кГц Рис 3.6. Усредненная спектральная плотность средней мощности: -оечн- б - фортепиано, вокальной и камерной музыки; в - легкой н эстрадной музыки; уечп, ч> у симфонической музыки 42
Здон ключей Малый бар ас Скрипка бас-труба Сопрано-сан Пикколо Муж. волос тем. волос а ? / Ь 313 62,5 250 1000 4000 Рис. 3.7. Частотные диапазоны первичных источников звука Таблица 3.4. Данные примера расчета суммарного уровня и я Я" К Sf sL. Среди: тота, : 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 Л 41 . ч в 8.8. С 3@ 28,5 34,5 40,0 43,5 45,5 45,5 43,5 41,5 39,0 36,0 33,0 30,5 28,0 25,5 23,5 21,5 19,5 17,0 14,0 11,0 о сй 5 « Ширин лосы. 13,6 14,6 15,6 16,6 17,6 18,6 19,6 20,6 21,6 22,6 23,6 24,6 25,6 26,6 27,6 28,6 29,6 30,6 31,6 32,6 к л . X ¦» Урове! ПОЛОС! 42,1 49,1 55,6 60,1 63.1 63,6 63,1 62,1 60,6 58,6 56,6 55,1 53,6 52,1 51,1 50,1 49,1 47,6 45,6 43,6 Интенсивность полосы, отв. ед. 16 300 81 000 ЗббООО 1 030 000 2 060 000 2 310 000 2 060 000 1635000 1 160 000 728 000 457 000 325 000 231 000 163 000 130 000 103 000 82 0Q0 58 000 36 000 23 000 2 = 13054 100 в,ав 50\ 40 30 20 82АВ ЮО 300 1000 300010000 200500 2000 500 Pf Гц Рис. 3.8. Спектральные уровни некоторых шу- шумов: / — белого; 2 — розового; 3 — речевого. На графике показан суммарный уровень для каждого ти- типа шума диапазоны для ряда первичных источников звука, в том числе и для речи. Как видим, весь оркестр имеет широко- широкополосный спектр, Флейта-пикколо и труба имеют соответственно высокочастотный и низкочастотный спектры. Акустические шумы могут рассматри- рассматриваться и как акустические сигналы, и как помехи. На рис. 3.8 приведены три типа шу- шумов: белые, розовые и речевые. Термин «бе- «белые» относится к шумам, имеющим одинако- одинаковую спектральную плотность во всем частот- частотном диапазоне. Термин «розовые» относится к шумам, имеющим тенденцию спада на 3 дБ/окт в сторону высоких частот. Речевые шумы — шумы, создаваемые одновременным разговором нескольких человек. 3.4. ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АКУСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА Одной из таких характеристик является уровнеграмма сигнала. Она дает возможность определения резких переходов интенсивно- интенсивности, и, следовательно, по ней можно предъ- предъявить требование в отношении постоянных времени для трактов передачи сигнала. Другой важной временной характеристи- характеристикой акустического сигнала является функция автокорреляции сигнала. Если суммируют два сигнала, один из которых представляет повторение другого сигнала с некоторым запаздыванием т по отношению к нему (как, например, прямой и отраженный сигналы), то средняя мощность суммарного сигнала за время Т может быть определена следующим образом: t t t—T где t t — T t t—т являются средними мощностями складываю- складывающихся сигналов, а t — T функцией автокорреляции сигнала / (t). Все акустические сигналы делят на одно- однородные стационарные и неоднородные. Если при увеличении интервалы усреднения, сред 43
ние значения мощности каждого из сигналов стремятся к одному и тому же предельному значению, не зависящему от времени t, то такие сигналы называют однородными. В этом случае функция корреляции также стремится к некоторому пределу, зависяще- зависящему от времени запаздывания. Минимальное время усреднения Т = То, необходимое для достижения «тих предельных значений при любой величине времени запаздывания, называют пределом однородности сигнала. Для однородных сигналов при Т !> То Г/2 Г -Г/2 Р-Р-— f -Г/ Г/2 Г(Т)=*Т I f(t)f(t~x)dt — Т/2 при произвольности выбора интервала Г во времени. Если при увеличении интервала усредне- усреднения величины мощности и функции корреля- корреляции не имеют предельных значений, а непре- непрерывно изменяются со временем, то такие сигналы называют неоднородными. Для речевого сигнала однородность полу- получается в интервале 3 ... 5 с, но для большей точности этот интервал берут равным 15 с. Для музыкальных программ интервал одно- однородности доходит до 1 мин. Для оценки когерентности сигналов поль- пользуются нормированной функцией корреляции гн — г (ХУГ @)» гДе г @) — функция корреля- корреляции при т = 0. При т. = 0 для двух одинаковых сигналов суммарная амплитуда удваивается и мощность будет в 4 раза больше мощности одиночного сигнала Рг. При т ^ т0 (где т0 — интервал корреляции) суммарная мощность этих сиг- сигналов Pz = 2Рг. 3.5. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ РЕЧИ ВОКРУГ ГОЛОВЫ Рот как источник звука излучает в разных направлениях по разному. Играют роль как соотношения между длиной излучаемой вол- волны и размеров отверстия рта, так и размеры головы сравнительно с той же длиной волны. Низкие частоты излучаются более равномер- равномерно, высокие имеют направленное излучение. В табл. 3.5 приведены уровни интенсивности на расстоянии 1 м от рта под разными азимутами и углами -высоты. Даны как сум- суммарные значения уровня для всего диапазона частот, так и для октавных полос в диапа- диапазоне 62,5 ... 12 000 Гц. Цифры в этой таблице представляют собой разности уровней интенсивности в децибелах в заданной точке с координатами г, в и в точке, определяемой координатами Таблица 3.5. Частотный анализ и пространственное распределение интенсивности речи вокруг головы Угол, град ф шута я я е соты 31 ш диапа си и о о m л еч ю ем <о о ю см ~~ о о о ¦л ем Относительный уровень, о о о о ю в частотных полосам о о о о о 400 о о - о 000 e»t о о ¦«• ~* , Гц 008 ем о о о -см 000 ¦«• о о оо ем 009 ю о о о ¦«• 000 оо 00. . СО ¦я 000< _ о ?ъ СО г=100 см 0 45 90 135 0 45 90 [80 0 45 90 135 180 0 0 0 0 +45 +45 +45 +45 +45 -45 -.45 —45 -45 -45 -9,7 —9,8 —10,5 — 13,8 —10,1 -10,7 -12,1 -12,4 —12,9 —7,8 -9,8 —11,3 —13,8 — 15,2 —10,2 —11,2 —8,7 -8,4 —10,0 -10,5 — 10,0 -SJ —7,1 —10,8 -11,4 —11,1 -8,4 —7,1 —11,1 —10,3 -13,0 —10,8 — 12,2 —10,6 —13,4 —11.6 —11,6 —11,8 —11,5 -13,3 —11,9 —10,8 —8,9 -11,3 — 12,4 —15,0 —10,5 —11,0 — 12,0 —14,3 —13.0 —9,6 —10,8 —12,8 —16,9 —15,0 — 10,5 —9,1 —11,5 — 18,1 — 12.4 —12,2 — 12,6 —12,3 —12,2 —5,3 -8,6 -9,7 —15,5 — 19,8 —8,9 —9,9 —10,6 — 16,4 —12,0 —12,1 — 13,0 —13,8 — 13,8 —6.1 —9,1 —10,9 —15,4 -16,4 —11,2 —12,8 —12,8 —21,0 -8,5 —9,0 —14,9 —17,8 —16.8 —12,3 —10,1 — 15,9 —9,5 —13,7 —15,7 —20,7 —11,6 -11,9 —15,5 -г20,9 -Л7.2 —13,6 —14,5 —18,0 —21,6 —25,6 -11,2 —12,3 —15,7 —21,4 —10.5 —11,6 —12,3 —18,2 -16,0 —12,7 —14,8 —19,6 —22,9 —29,3 —9,6 -13,1 —16.5 —23,1 — 10,8 —11,5 — 17,2 —2Г,0 —17.6 —12,0 —13,1 —19,6 -23,9 —30,9 — 12,2 —12,8 —14,9 —25,0 -15,1 —15,3 — 18,4 —24,6 —23,7 —12,6 —15,3 —22,3 —29,7 —33,7 т-9,7 — 11,9 —15,9 —23,8 —16,6 —14,6 —18,3 —25,3 —25,0 —6,6 —8,9 — 19.9 —28.8 —3.1,2 —9,7 — 10,3 —15,2 —26,2 —10,0 -11,5 —15,6 —23,6 —22,3 —6.1 —6,1 —19,5 —26.7 —27,2 44
Рис. 3.9. К пояснению способа отсчета коорди- координат и углов B-0* 45° 30* 45* -90" 30см/*\ -Л 90° О" 180" -45' г-60см уХ Л. \ -90° -45* 0,3 м, 0°, 0° для той же полосы частот. Способ отсчета координат показдн на рис. 3.9. Пример. Определить относительный уро- уровень речи во всем диапазоне и в полосе 250 ...,500 Гц в точке, расположенной впереди @°) вверху под углом 45° на расстоянии 0,3 м. Искомые уровни находим в табл. 3.5 в шестой строке в 3-й и 6-й графах для г— 100 см. Общий уровень будет равен —10,1 дБ, уровень в полосе —10,5 дБ. Для оратора из табл. 3.3 находим, что на расстоянии 1 м звуковое давление равно 0,1 Па. На расстоянии 0,3 м уровень звукового давления соответственно увеличится (табл. 3.5, графа 4, строка 1 для 100 и 30 см) на 9,7 дБ, а звуковое давление — в 3,06 раза, поэтому оно будет равно 0,1-3,06= 0,306 Па. Затем находим уровень 1= 20 lg @,306/2-Ю-6) = 83,7. Поэтому уровень в полосе будет Ln = 83,7 — 1,9 — = 80,8 дБ, а общий уровень интенсивности 1^ = 83,7 — 0,8 = 82,9 дБ. 3.6. ПЕРВИЧНЫЙ РЕЧЕВОЙ СИГНАЛ Речь с физической точки зрения состоит из последовательности звуков речи с паузами между их группами. При нормальном темпе речи паузы появляются между отрывками фраз, так как при этом слова произносятся слитно (хотя слух, как правило, восприни- воспринимает слова по отдельности). При замедлен- замедленном темпе речи, например при диктовке, паузы могут делаться между словами и даже их частями. Предлоги, союзы звучат всегда слитно с последующим словом. Один и тот же звук речи разные люди произносят по-разному, каждому человеку свойственна своя манера произнесения зву- звуков речи (своего рода устный почерк). Про- Произношение звуков речи зависит от ударения, соседних звуков и т. п. Но при всем много- многообразии в их произношении они являются физическими реализациями (произнесением) ограниченного числа обобщенных звуков речи, называемых фонемами. Фонема — это то, что человек хочет произнести, а звук речи — это то, что человек фактически про- произносит. Фонема по отношению к звуку речи играет ту же роль, что и образцовая буква (например, курсивная) по отношению к ее рукописной форме в конкретном написании. В русском языке насчитывается 42 основ- основные и 3 неопределенные фонемы. Звуки речи делятся на звонкие и глухие. Звонкие звуки образуются с участием голосо- голосовых связок, в этом случае находящихся в напряженном состоянии. Под напором воз- воздуха, идущего из легких, они периодически раздвигаются, в результате чего создается прерывистый поток воздуха. Импульсы по- потока воздуха, создаваемые голосовыми связка- связками, с достаточной точностью могут считаться периодическими. Соответствующий период повторения импульсов называют периодом основного тона голоса 7. Обратную вели- величину Го, т. е. 1/Г0, называют частотой основ- основного тона. Если связки тонкие и сильно напря- напряжены, то период получается коротким и часто- частота основного тона высокой; для толстых, слабо напряженных связок частота основ- основного тона получается низкой. Частота основ- основного тона для всех голосов лежит в пределах 70 ... 450 Гц. При произнесении речи час- частота основного тона непрерывно изменяется в соответствии с ударением и подчеркиванием звуков и слов, а также для проявления эмо- эмоций (вопрос, восклицание, удивление и т. д.). Изменение частоты основного тона называет- называется интонацией. У каждого человека свой диапазон изменения основного тона (обычно он бывает немногим более октавы) и своя интонация. Последняя имеет большое значение для узнаваемости говорящего. (Основной тон, интонация, устный почерк и тембр голоса служат для опознавания человека, и степень достоверности опознавания выше, чем по от- отпечаткам пальцев. Это свойство используют для аппаратуры, срабатывающей только от определенных голосов.) Импульсы основного тона имеют пилообразную форму, и поэтому при их периодическом повторении получается дискретный спектр с большим числом гармо- гармоник (до 40)j частоты которых кратны частоте основного тона. Огибающая спектра основно- основного тона имеет спад в сторону высоких частот с крутизной около 6 дБ/окт, поэтому для мужского голоса уровень составляющих око- около 3000 Гй ниже их уровня около 100 Гц примерно 30 дБ. При произнесении глухих звуков связки находятся в расслабленном состоянии и поток воздуха из легких свободно проходит в поло- полость рта. Встречая на своем пути различные
преграды в виде языка, зубов, губ, он образу- образует завихрения, создающие шум со сплош- сплошным спектром. v Согласные по способу образования делят- делятся на сонорные (л, ль, р, рь, м, мь, н, нь, й), щелевые (ж, з, зь, в, вь, ш, с, сь, ф, фь, х, хь), взрывные (б, бь, д, дь, г, гь, п, пь, т, ть, к, кь) и аффрикаты (ц, ч — комбинация глухих взрывных и щелевых). Гласных фонем 6: а, о, у, э, и, ы (гласные е, я, е, ю — составные из й или мягкого знака и гласных э, а, о, у). По месту образования фонемы делятся на губные, зубные, небные, гортанные, перед- передние и задние. При произнесении звуков речи язык, губы, зубы," нижняя челюсть, голосовые связки должны находиться для каждой фоне- фонемы в строго определенном положении или движении. Эти движения называют артику- артикуляцией органов речи. При этом в речеобразу- ющем тракте создаются резонансные полости, определенные для данной фонемы, а для слитного звучания фонем в речи — и опре- определенные переходы от одной формы тракта к другой. При произнесении звуков речи через речевой тракт проходит или тональный импульсный сигнал, или шумовой, или тот и другой вместе. Речевой тракт представляет собой сложный акустический фильтр с рядом резонансов, создаваемых полостями рта, носа и носоглот- носоглотки, т. е. с помощью артикуляционных органов речи. Вследствие этого равномерный тональ- тональный или шумовой спектр превращается в спектр с рядом максимумов и минимумов. Максимумы спектра называют формантами, а нулевые провалы — антиформантами. Для каждой фонемы огибающая спектра имеет индивидуальную и вполне определенную форму (рис. 3.10, на котором приведены спект- спектральные огибающие для звуков в, г, м). При произнесении речи спектр ее непрерывно изменяется и образуются формантные пере- переходы. Частотный диапазон речи находится В,АВ в пределах 70 .. 7000 Гц. Форма усредненного спектра речи дана на рис. 3.4. Звонкие звуки речи, особенно гласные, имеют высокий уровень интенсивности, глу- глухие — самый низкий. При произнесении ре- речи громкость ее непрерывно изменяется. Особенно резко она изменяется при произ- произнесении взрывных звуков речи. Динамичес- Динамический диапазон уровней речи находится в пре- пределах 35 ... 45 дБ. Гласные звуки речи име- имеют в среднем длительность около 0,15 с, согласные — около 0,08 звук п—около 30 мс. Звуки речи неодинаково информативны. Так, гласные звуки содержат малую инфор- информацию о смысле речи, а глухие согласные наиболее информативны (например, в слове «посылка» последовательность «о, ы„ а» ни- ничего не говорит, а «п, с, л к» дает почти одно- однозначный ответ о смысле. Поэтому разбор- разборчивость речи снижается при действии шумов, в первую очередь из-за маскировки глухих звуков. Известно, что для передачи одного и того же сообщения по телеграфу и по речевому тракту требуется различная пропускная спо- способность тракта. Для телеграфного сообще- сообщения достаточна пропускная способность не более 100 бит/с, а для речевого —около 100 000 бит/с (полоса равна 7000 Гц, дина- динамический диапазон 42 дБ, т.е. требуется семизначный код, откуда имеем 2-7000-7= — 98 000 бит/с), т. е. в 100 раз большая. Образование звуков речи происходит путем подачи ' команд к мускулам артику- артикуляционных органов речи от речевого центра мозга. Общий поток сообщений от него сос- составляет в среднем не более 100 бит/с. Вся остальная информация в речевом сигнале называется сопутствующей. Речевой сигнал представляет собой сво- своего рода модулированную несущую. Его спектр р ((ч) = Е (со) F(<a), где Е (со)—спектр генераторной функции, т» е. импульсов ос- основного тона или шума; F (со) — фильтро- фильтровая функция речевого тракта — модулирую- модулирующая кривая. Эта модуляция особая — спект- спектральная. Прн ней несущая имеет широко- широкополосный спектр, а в результате модуляции изменяется соотношение между частотными составляющими, т. е. изменяется форма оги- огибающей спектра. Почти вся информация о звуках речи заключена в спектральной огибающей речи и ее временном изменении1 (частично информация о звуках речи заклю- заключена в переходах от тонального спектра к шумовому и обратно — по этим переходам узнают о смене звонких звуков на глухие и обратно). Все эти изменения происходят медленно (в темпе речи). Установлено, что 200 300400 600 1000 2000 3000 5000 f, Гц 500 800 1400 4000 6001) Рис. 3.10. Огибающие спектра для ряда зву- звуков речи: / — в; 2 — г; 3 — м 1 По теории, предложенной проф. А. А. Пироговым, распознавание звуков речи^ определяется скоростью изменения спектральных уровней (фонетическими функ- функциями). 46
избыточность самого речевого сигнала лишь немного превышает избыточность телеграф- телеграфного сигнала с таким же сообщением: рече- речевой сигнал отличается от телеграфного тем, что в последнем нет информации об эмоциях и личности говорящего, а также исключена' вся сопутствующая информация, имеющая- имеющаяся в речи1. Для передачи смысла речи достаточно передавать сведения о форме огибающей спектра речи и ее временном изменении в темпе смены звуков речи, а также измене- изменение основного тона речи и переходов тон — шум. 3.7. ГОРТАНЬ КАК ИСТОЧНИК ЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ Для получения шумозащищенного рече- речевого сигнала используют гортань как источ- источник речевых колебаний. Эти колебания соз- создаются при произнесении звуков речи и явля- являются чисто механическими колебаниями тканей, прилегающих к гортани. Наиболее интенсивные колебания получаются на низ- низких частотах. Скорость, колебаний этих тка- тканей уменьшается к высоким частотам по квадратичному закону. При увеличении час- -40 -50 -60 -70 -80 s s 4 ЮО 300 6001000 3000 Рис. З.П. Частотная зависимость колебатель- колебательной скорости гортани для постоянного звуко- звукового давления создаваемого ртом на рассто- расстоянии I м от него тоты вдвое скорость колебаний уменьшается вчетверо, что соответствует снижению уровня на 12 дБ/окт (см. § 1.4). На рис. 3.11 приведе- приведена экспериментальная частотная зависимо- зависимость уровня скорости колебаний тканей гор- гортани для постоянного уровня звукового дав- давления, создаваемого при этом на расстоянии 1 м от рта. На этом графике за нулевое зна- 1 м чение уровня взята величина 1 . . JK с/Па РАЗДЕЛ 4 ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И СИСТЕМЫ 4.1. ВВЕДЕНИЕ Электроакустическая аппаратура и акус- акустические устройства состоят из электричес- электрических, механических и акустических элемен- элементов, объединенных в системы. К электрическим элементам относятся индуктивности, емкости, активные сопротив- сопротивления, трансформаторы. Как правило, они представляют собой простую электрическую систему—электрический контур. Конструк- Конструктивно такой контур имеет вид: катушки, находящейся в магнитном поле (электроди- (электродинамические системы) или на сердечнике из магнитного материала (электромагнитные системы); конденсатора или пъезоэлемента (электростатические системы); угольного порошка, расположенного между электри- электрическими контактами (угольные системы). Трансформаторы применяются в тех случаях, когда надо согласовать сопротивления дан- данной системы с внешней электрической цепью. Для электродинамических систем индуктив- индуктивное сопротивление обычно (кроме самых высоких частот) значительно меньше актив- активного, для электромагнитных систем, наоборот индуктивное сопротивление значительно пре- 1 Например, информация о мгновенных значениях сигнала — фазовая информация. рбладает над активным (кроме самых низких частот), для электростатических систем активная составляющая, как правило, очень мала. К механическим и акустическим элемен- элементам относятся массы, упругости (гибкости), сопротивления потерь (например, на, трение) и своего рода механоакустические трансфор- трансформаторы. Эти элементы комбинируют в виде различного рода цепочек и узлов. Механичес- Механические и акустические системы элементов быва- бывают как с сосредоточенными, так и с распре- распределенными параметрами. В большинстве случаев акустические и механические систе- системы (в зависимости от участка звукового диа- диапазона частот) могут рассматриваться как с сосредоточенными, так и с распределенными параметрами. Например, на низких частотах все механические системы могут рассматри- рассматриваться как системы с сосредоточенными пара- параметрами, а на высоких — как с распределен- распределенными параметрами. Большинство акустичес- акустических систем представляют собой системы с распределенными параметрами, и только на низких частотах с некоторым приближением их можно рассматривать как системы с сосре- сосредоточенными параметрами. Конструктивно механические системы представляют собой различной формы диа- диафрагмы н мембраны. Идеальная диафрагма 47
может11 колебаться только как целое, т. е. представляет собой систему с сосредоточен- сосредоточенными параметрами. Практически диафрагмы всегда колеблются с той или иной величиной изгиба от центра к краям. Для уменьшения изгиба применяют гофрировку на краях диафрагмы. Идеальная мембрана представ- представляет собой абсолютно гибкую пластину, упругость которой придается только ее на- натяжением по периметру. Мембрана представ- представляет собой систему с распределенными пара- параметрами. В пьезоаппаратуре механическая система иногда имеет вид пластинки, зажатой по одному краю. Акустические системы конструктивно пред- представляют собой различного рода трубки, закрытые с одного конца или открытые с обоих концов, различного вида объемы, резонаторы, комбинации трубок и объемов, помещение, открытое пространство. Электрические, механические и акусти- акустические системы в электроакустической аппа- аппаратуре связывают между собой с помощью электромеханических и механоакустических. преобразователей. Под последними подра- подразумевают устройства, позволяющие преобра- преобразовать колебания одного вида энергии в дру- другой, например, акустические колебания в электрические или электрические — в акус- акустические. В качестве элементов связи, напри- например в электромеханических преобразованиях, используют магнитные или электрические поля. 4.2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ АНАЛОГИ Почти вся электроакустическая аппара- аппаратура имеет в своем составе механическую систему как посредник между электричес- электрической я акустической системами. Для возмож- возможности использования хорошо разработанного аппарата в виде теории электрических Таблица 4.1. Электромеханические аналоги Электрическая величина Механическая величина Условное обозначение Напряжение U Ток I Количество электричества q Сила F Скорость v Смещение (отклонение) х di Индуктивность L Масса т '«>? Ua=q/C Емкость С K sxx/cM Гибкость см Упругость s=l/sM Активное сопротивление R Коэффициент потерь гм 6) Полное электрическое сопротивление Полное Механическое сопротивление F Энергия магнитного поля WM=Li2/2 Кинетическая энергия Г = Энергия электрического поля WCU*/2 Потенциальная энергия ЯЯ/г V 48
Таблица 4.2. Электромеханические аналоги соединения элементов Механический элемент Электрический аналог Формула о— с— F 5) и 'м1 четырехполюсников при анализе процессов, происходящих в сложных механических системах, разработаны методы электромеха- электромеханических аналогий. Они позволяют сводить механические системы к электрическим. Наи- Наиболее распространенный метод электромеха- электромеханических аналогий основан на аналогиях, приведенных в табл. 4.1. В табл. 4.2 приведе- приведены аналогии соединений механических и электрических элементов. Аналогом последо- последовательного [а) и в)] соединения механических элементов, называемого цепочкой, являет- является параллельное соединение электрических, а аналогом параллельного соединения [б) и г)] механических элементов (узла) является последовательное соединение электрических. Для механической колебательной систе- системы с параллельным соединением механичес- механических элементов уравнение вынужденных колебаний имеет вид md*x/dt*+rudx/dt+x/cu*=F, где F — сила, приложенная к узлу механи- механических элементов; т— масса колебательной системы; гм— активное сопротивление ее; % — гибкость системы. Это уравнение ана- аналогично уравнению для контура с последо- последовательным соединением электрических элементов (табл. 4.3, рис. а), т. е. узел меха- механических сопротивлений аналогичен контуру из электрических сопротивлений. Механи- Механическое сопротивление для такого узла 1 кос» |/ r-+ (--irll8; 49
Таблица 4.3. Электрические аналога механических систем Электрический аналог Механическая система Формула ~ "L F/v= zM= rM-f- шт + + l/(icocM); т/с* р=Ут/см 91 _ ± 6) ют—1/((dcm) где |ZMj — модуль сопротивления; г|) — его фаза. На рис. 4.1 показана зависимость скорос- скорости колебаний v от частоты / при постоянстве амплитуд приложенной силы для рассматри- рассматриваемой механической системы. Резонансная частота для механической системы = (D0/2n(s=I/cM) и добротность где Д/ — ширина полосы пропускания сис- темы на уровне —3 дБ; 2вол ~ ут/См — волновое сопротивление системы. На частотах выше резонансной (ю > Щ) механическое сопротивление определяется инерционным сопротивлением, т. е. zM = = icom, если только активное сопротивление не очень велико. На частотах ниже резонанс- резонансной (со < соо) механическое сопротивление определяется гибкостью, т. е.гм= l/(icocM), с той же оговоркой, что и в предыдущем слу- случае. Механическая система в виде цепочки со- сопротивлений, состоящей из резинки, на кото- которой подвешен грузик (так называемый «мяч- раснидай»), имеет аналог в виде электриче- электрической системы с параллельным соединением элементов (см. табл. 4.3, рис. б). Далее аналогом рычага первого рода явля- является трансформатор, причем отношение плеч рычага lxll% соответствует коэффициенту транс- трансформации njtii (см. табл. 4.3, рис. в), а рычагу второго рода — автотрансформатор. Одним из видов механического трансфор- трансформатора с акустической связью является соеди- соединение двух поршневых диафрагм с помошью двух трубок небольших (по сравнению с дли- нбй волны) диаметра и длины (см. табл. 4.3, рис. г). Давление в обеих трубках по закону 50
Паскаля одинаково, поэтому отношение сил (при условии несживаемости воздуха) обрат- обратно пропорционально отношению скоростей в трубках: а коэффициент трансформации равен отноше- отношению сечений трубок, т. е. п^пг — SjS^. Та- Такой трансформатор применяется в электроаку- электроакустической аппаратуре для преобразования со- сопротивлений в целях их согласования. Приведем параметры некоторых механиче- механических систем. Мембрана, натянутая по периметру, имеет основную резонансную частоту 0,38 где т — натяжение мембраны; h — толщина ее; г — радиус; р — плотность материала. Для расчета резонансной частоты более высоких порядков т и л (где т — число узловых диа- диаметров; л—-число узловых окружностей; л=1 соответствует окружности по периметру мембраны) полученные из формулы величины необходимо умножать на следующие коэффи- коэффициенты k: т . . п . . k . . . 0 . 1 . 1,0 1 1 1 ,6 2 1 2, 1 0 2 2 ,3 1 2 2 .9 2 2 3, 5 0 3 3 ,6 1 3 4 .2 2 3 4, Предельное значение основной резонанс- резонансной частоты определяется пределом текучести материала мембраны (для алюминия допусти- допустимое натяжение ттах = 7• 107 Л Н/м, для дюра- дюралюминия ттах = 15-107 л Н/м). Пример. Определить предельную основ- основную резонансную частоту для дюралюминие- дюралюминиевой мембраны (р = 2,5-103 кг/м3) толщиной 10 мкм (Ю-6 м) и радиусом 10~2 м. Допус- Допустимое натяжение 200 500 800 1250 2000 7000 5000 Рис. 4.1. Зависимость скорости колебаний от частоты для механической колебательной си- системы данного примера эквивалентная упругость s3KB = 4л2 92902 • 2,37 . 10~e «= 8,07 • 103 Н/м иливэкв = 5,4-1,5-103 = 8,07-103 Н/м. Круглая диафрагма с центральной жест- жесткой частью имеет упругость sr=3,14 _а2 («—1)» где Е и а —модуль упругости и коэффициент Пуассона для материала воротника диафраг- диафрагмы; h — толщина воротника; г — радиус диа- диафрагмы; Ъ—радиус ее жесткой части: а = = rib; р = hfb. Пример. Найти упругость алюминиевой диафрагмы, с радиусом г = 3 см, радиусом жесткой части Ь — 2 см, толщиной воротника h = 0,1 мм. Для алюминия ? = 7- 10i0 Н/м2; а — 0,33. Подставляя эти данные в формулу, получаем упругость = 3,14 7-101° C/2+1) A—0,33*) C/2—1K 2Х xio-2 2-Ю-2 = 1,23.104Н/м. Предельная резонансная частота 0,38 Г 1500 - ш_2 у 2,5Ы03. 103-10- = 9290 Гц. В диапазоне частот до 20 кГц эта мембрана будет иметь еще два резонанса: на частотах /шр = 1,6-9290 = 14 864 Гц и /2пР = 2,1 X Х9290 Гц, т. е. для одного и двух узловых диаметров. Эквивалентная масса мембраны в диапа- диапазоне до основного резонанса ^экв = 0,3 т, где т — фактическая масса мембраны. Для Данного примера т = 2,51 • 10* • 10~6 пХ ХB-10-2J/4 = 7,89-Ю-6 кг, а эквивалент- эквивалентная масса тэкв = 0,3-7,89-Ю-6 = 2,37 х Х10-в кг. Эквивалентная упругость определяется из величин резонансной частоты и эквивалентной массы, s8KB == ©Зтэкв или S9KB ~ 5»4 Т- Для V 10 8 6 4 2 10 20 / *** / \ У а?' 1 1,- 20 J0406080100200 400600 W002000 4000 f,rq 40 6080120 200 400 800120020004000 8000 Рис. 4.2. Поправочный коэффициент а в зави- зависимости от частоты и теплопроводности сте- стенок (верхний ряд абсцисс для теплоизолиро- теплоизолированных стенок, Р = 1: нижний —для тепло- теплопроводных стенок, Р = 2; параметр кривых — радиус трубки) 51
Следовательно, гибкость см = ls = 0.813X Х10-4 м/Н. Эквивалентная масса такой диафрагмы ^экв = т* + 0t3mB, где тт и тв — массы жесткой части и воротника диафрагмы. Если жесткая часть имеет толщину 1 мм, то ее масса Эквивалентная масса воротника и диафраг- диафрагмы соответственно 0,3mB = 0,3-2,51-103-10~4 я C2 _ 22) • Ю-4 = 0,12 • Ю-3 кг; тЭКв = = C,15+0,12)-10^» = 3,27-10"» кг. Резонансная частота диафрагмы Для рассматриваемого случая Круглая, зажатая по периметру, пластинка имеет упругость и основную резонансную час- частоту соответственно: Е Л3 s = 4,19 1—« г2 ' где ? и а — модуль упругости и коэффициент Пуассона для материала пластинки; h — толщина пластинки иг — радиус ее; р — плотность материала. Эквивалентная масса пластинки тЭКв= = 0,151т, где т — фактическая масса плас- пластинки. Для определения первых четырех резонанс- резонансных частот сложного колебания полученные значения основной частоты необходимо умно- умножить на следующие коэффициенты: 1, 6, 15, 28 соответственно числу узловых окружностей; 1, 2, 3, 4. Пример. Найти основную резонансную частоту, упругость и эквивалентную массу стальной пластинки радиусом 2 см и толщиной 0,2 мм. Для стали модуль Е == 2-1011 Н/м2, коэффициент Пуассона а = 0,28 и плотность р = 7,8 кг/м3. Основная резонансная частота Г 2-1011 B-Ю-2J у 7,8-103 A—0.282) = 1240 Гц. Упругость s = 4 1Э 2'1QU B-10~4K_ A—0,282) B-Ю-2J = 18,2-103 Н/м. Эквивалентная масса тЭКв = 0,151-7,8х хЮ3-2-10-*л.B-10-2J= 3-10-4кг. Круглая, запертая по периметру, пластинка имеет упругость и резонансную частоту со- соответственно: = 4,19 A-о2) /о-0,225' h рA ~ау Эквивалентная масса m9HB — 0,28 т. Для пластинки из предыдущего примера упругость будет меньше в C-|-а)/A + о)= = 3,28/1,28 раза, а резонансная частота в @,47/0,225) раз меньше, т. е. /0 = 595 Гц; s = 7,10- 10sH/m. Эквивалентная масса т9Нв= = 0,28-19,9-10-*== 5,57-10-* кг, т.е. в 1,85 раза больше, чем для зажатой пластинки. 4.3. ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ АНАЛОГИИ Для анализа акустических систем разра- разработан метод электроакустических аналогий. По этому методу давление р считают аналогом напряжения,, скорость колебаний v — анало- аналогом плотности тока, а объемную скорость коле- колебаний ил = vS (где S — поперечное сечение звукопровода) — аналогом тока. Для трубки длиной / акустическая масса mBi=m/Si= = p//S и акустическое активное сопротивление га =¦ rM/S2. Для объема V акустическая гиб- гибкость са = cMS* = W(YPac)- Методом этих аналогий удобно пользоваться при рассмотре- рассмотрении устройств, состоящих только из акустиче- акустических систем, например акустических фильтров. Комбинации из акустических и механических систем можно рассматривать и с помощью электроакустических аналогий. При этом все механические сопротивления надо заменять на соответствующие им акустические, а силы и скорости — на давления и объемные скорости по формулам za = zM3S2M, U = VSM, где SM — площадь диафрагмы или мембраны. При рас- рассмотрении этих систем можно пользоваться для каждой системы своими аналогиями, но при этом в аналоговой схеме между механической и акустической системами приходится вклю- включать трансформатор. Число витков его с ме- механической стороны численно равно площади диафрагмы, а с акустической — равно едини- единице. Но все же для рассмотрения этих систем удобнее всего единая система электромехани- электромеханических аналогий. При рассмотрении чисто аку- акустических систем также можно пользоваться электромеханическими аналогиями, но в такой аналоговой схеме в каждом стыке двух звуко- проводов с разными поперечными сечениями надо включать трансформаторы с коэффициен- коэффициентом трансформации Sft/Sa+i, где Sh и Sh+i — сечения звукопровода в смежных участках его, или все акустические элементы проводить к одному поперечному сечению, например вход- входному отверстию So. Это приведение делается по формулам: механические массы т = m&S$, 52
Таблица 4.4. Акустические элементы и системы Описание Чертеж Аналоговая схема Входное сопротивление а) замкнутый объем V с гор- горлом площадью S—яг2 без уче- учета сопротивления излучения в) V F о- б) слой воздуха между двумй параллельными дисками пло- площадью 5 Один диск колеблется по своей оси под действием силы F. Ра- Радиальное движение воздуха отсутствует. Толщина слоя F o- Для жестких дисков гм ж оо, см = d/pc2 S. = l/io)cM, Для мембран с учетом радиального движения воздуха l/zBX = l/rM-|- + ju>c'M, cM = D...7)cM; гм изменяется в широких пределах в) круглое отверстие радиуса г (в бесконечно тонкой стене), излучающее в одну сторону, Fv ,$ т , гм=яр© = я2рг3/2 при г<с г) п Круглых отверстий, каж- каждое площадью S=nr2 в тон- тонкой перегородке бесконечных размеров, если объем за пере- перегородкой, приходящейся на одно отверстие, Vr1>X2Jax г/4я V,Jv 1 I гм и т, см. п.в.
ел Продол же н и е табл. 4.4 Описание д) труба с поперечным сече- сечением S=nr2 и длиной / в тол- толстой широкой стене без уче- учета потерь, Ь — ширина стены, при /CA*>^ е) узкая труба длиной /^Я и сечением S—лг2, р — коэффи- коэффициент теплопроводности стенок ж) отверстие с радиусом Т\ в перегородке, стоящей попе- поперек трубы с радиусом г2 без учета потерь на вязкость, ф — функция Фока з) механический трансформа- трансформатор из двух трубок при учете сжимаемости воздуха Чертеж в) ej Ж) 3) Аналоговая схема Входное сопротивление V ,. rM = т=4яр/г3/3, а см. рис. 4.2 (а= 1 при /г2<цяр) v F о- zBI=1<Dm, т=0,5я2р/>8ф Ф (гх/г8) = 1-1,47 (rx/rt) + + 0,338 (/ч/г^+ Sf Sz vz , cMX=/a/pc2S1,
Продолжение табл. 4:4 Описание Чертеж Аналоговая схема Входное сопротивление и) резонатор Гельмгольца с объемом V и офланцованной трубкой длиной / и сечением S=nr2 с учетом излучения горла и вязкости воздуха в нем О*—^rv>nk-j 'M+sa [рюа/4яс+ (l/пг*) m=pS/', /' = /+1,48 г, ' V к) двойной резонатор Гельм- Гельмгольца с объемом V к длинами трубок /i и /2 и сечением 5t и л) длинная узкая трубка без отражения от конца (\flCS 2ВХ = гво л — м) труба длиной / и сечением 5, нагруженная на конце меха- механическим сопротивлением zH = PcS, zBX= pcS+izHtg(u)//c) ' при ZH = pcS zBX=pc<S, при /<А, zBX=(zH+i(om)/(l-f- + i©cMzH),
Продолжение табл. 4.4 Описание и) то же, закрытая с одного конца (Zh~*"°°) о) то же, открытая с обоих концов (zH«0) п) труба сечением Si = = пг\, нагруженная на кон- конце тонкой трубой длиной h и сечением 5а==яг| с нагруз- нагрузкой на конце механическим сопротивлением гя Чертеж */ F <? S **-8 ---— , 1 и а V Аналоговая схема i t « . 1 К Входное сопротивление для zH<^l/(ocM, zBX = zH-|-iei)/w, fn = plS, Cj| = //(pc2S) zBX_ipcSctg(©//c), при /<CA,zBX=l/i©cM, cM— //(pc8 S) Zkx — ipcS tg(d)t/c), при /<сА>> zBX=i©m, Нагрузка на конце широкой трубы m=pS,l,+ .6(tf,S,/3»
Окончание табл. 4.4 Описание Чертеж Аналоговая схема Входное сопротивление р) отрезки широких и узких трубок, соединенные между со- собой последовательно Акустический фильтр Р) F- V V Электрический фильтр v, m mm = pS2l2, cti = S2//2 Vx = 2uH, 2(o§/©2)] с) труба с ответвлениями в ви- виде трубок с открытыми концами It И 1 (/77 2/V1/2 =O,5©o, Y = Arch {cos ((alxlc)-\- + (cS2/2wS1/2)sin(u)/1/c)J т) то же, в виде резонаторов Гельмгольца Л пот V 'ескцц фильтр Электрический полосовой фильтр О-н то
Рис. 4.3. Механоэлектричесний четырехполюсник — генератор (а) и электромеханиче- электромеханический четырехполюсник — двигатель (б) механические активные сопротивления гм— = /д^о механлческие гибкости см = cM/S§. С помощью электромеханических анало- аналогий рассмотрим применяемые в практике аку- акустические элементы и системы (см. табл. 4.4). Следует иметь в виду, что за исключением п. б) сила, действующая на входе элемента или системы, F = pS, где р — звуковое давление на этом входе, a S — площадь входного отвер- отверстия. 4.4. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Электромеханические преобразователи яв- являются четырехполюсниками, у которых одна сторона механическая, а другая — электри- электрическая. Большинство электромеханических преобразователей (кроме угольных, транзис- транзисторных и ионных), используемых в электроаку- электроакустической аппаратуре, является.обратимыми и практически линейными преобразователями. Электромеханические преобразователи делят на генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую, и двигатели, преоб- преобразующие механическую энергию в электри- электрическую. Для генератора (рис. 4.3, а) уравнения че- четырехполюсника имеют вид: /(г Up — а для электродвигателя (ЭД) (рис. 4.3, б): где /Сг — коэффициент электромеханической связи для генератора; /Сд — коэффициент электромеханической связи для ЭД: i 'д — п' Интересно отметить, что когда ЭД затормо- заторможен (т. е, когда частота вращения его равна ну- нулю), то это соответствует холостой работе че- четырехполюсника, так как в этом случае сопро- сопротивление нагрузки zM>H бесконечно большое, и ток"во вторичной цепи равен нулю. А холо- холостая работа двигателя соответствует его рабо- работе на небольшое сопротивление нагрузки (ско- (скорость наибольшая, т. е. выходной ток в четы- четырехполюснике максимальный). Для обра- обратимых четырехполюсников | АГГ| = | Кл | = = Ксь', 2вН.г = KcJ(z9.T + *э.н) ~~ вноси' мое сопротивление для генератора; гвН.д = = K*J(zM д + гм н) — вносимое сопротивле- сопротивление для ЭД; <^Г — ЭДС генератора; 3" = уси- усилие ЭД; 2ВХ.Г — входное (механическое) со- сопротивление ' генератора; гвх,д — входное Рис. 4.4. Преобразователь динами- динамического типа (катушечный вариант): а — механоэлектрический; б — электро- электромеханический К — катушка с проводом длиной I; В — индукция поля вблизи катушки 58
1 в а) Рис. 4.5. Преобразователь динамического типа (ленточный вариант): а — механоэлектрический; б — электромеханический Л — леиточка длиной /; В — индукция поля вблизи леиточки (электрическое) сопротивление ЭД;, гэм%г— собственное (механическое) сопротивление ге- генератора; гм#п — внутреннее (механическое) ~~ гм.д ~~ м.д сопротивление ЭД; гэ.д — собственное (электрическое)"сопротив- (электрическое)"сопротивление ЭД; гэ.Г — внутреннее (электрическое) сопротивление генератора (гэ.д == гэ.г = гэ); гэ-н — электрическое сопротивление нагруз- нагрузки генератора; гм.н — механическое сопротив- сопротивление нагрузки двигателя; Fr — сила, прило- приложенная к генератору; vv — скорость генерато- генератора; iv —ток нагрузки генератора; Ur — на- напряжение на нагрузке генератора; С/д — на- напряжение, приложенное к двигателю; /п— ток в двигателе; уд—скорость вращения ЭД; Fn — сила, действующая на нагрузку ЭД. Для электродинамических типов электро- электроакустической аппаратуры (рис. 4.4 и рис.4.5) наводимая ЭДС в проводнике, пересекающем магнитное поле, ? = Blv, а усилие, действую- действующее на проводник с током, F = BU, где В — индукция поля; /— длина проводника. Коэффициент электромеханической связи для этих систем /Ссв — В1. а) ¦о о- Ю Рис. 4.7. Преобразователь пьезоэлектрическо- пьезоэлектрического типа: а — механоэлектрический; б — электромеханический; / — электроды; 2 — пластинка кристалла (или кера- керамики) Если взять конденсатор с постоянным на- напряжением на его обкладках равным Uo и одну из его обкладок колебать с переменной скоростью v (рис. 4.6, а), то конденсатор будет создавать переменную ЭДС & = f/oy/(iu>d), где d — расстояние между обкладками конден- конденсатора в отсутствие колебаний; а> — частота колебаний. С другой стороны, если через этот конденсатор будет протекать переменный ток i, вызванный приложенным к нему перемен- переменным напряжением U^ < Uo (рис. 4.6, б), то между обкладками конденсатора будет дейст- действовать переменная сила (усилие) & = Uoi/ (Шф. Следовательно, электрический преобразо- преобразователь конденсаторного (а также электретного) типа имеет коэффициент электромеханической связи АГСВ = Uj(ti>d). Если пластинку пьезокристалла, вырезан- вырезанную соответствующим образом (или пластинку из пьезокерамики), деформировать, например заставить один из ее концов колебаться со ско- скоростью v (рис. 4.7, а), то на ее электродах об- образуется переменная ЭДС <? = k0t2v/(toh?), где / — длина пластинки; h — толщина ее; &о — коэффициент пьезоэффекта. Если же на электроды такой пластинки подать перемен- переменное напряжение U^, вызывающее ток i (рис. 4.7, б), то пластинка будет испытывать переменную силу (усилие) Ж = knPil{\<ah2). Поэтому коэффициент связи для электромеха- электромеханического преобразователя пьезосистем с из- гибной деформацией имеет вид Ксв ~ ко?1 (<ah2). Если мембрану из ферромагнитного мате- материала приближать к полюсным наконечникам постоянного магнита или удалять от них (на- Г La 12 у////////// Рис. 4.6. Преобразователь конденсаторного типа: а — механоэлектрический; б ~ электромеханический; d — расстояние между электродами- ?/„ — постоянное напряжение иа конденсаторе; / — мембрана; 2— зазор между электродами; 3 — изо- изоляция; 4 — неподвижный электрод 59
LU' Рис. 4.8. Преобразователь электромагнитного типа: а — механоэлектрический; б — электромеханический Во — постоянная составляющая ин- индукции в магнитной цепи; /— мембрана; 2 — зазор в магнит- магнитной цепи; 3 — полюсный нако- наконечник, т. е. сердечник ка- тушки; 4 — катушки / 0 пример, колебать) со скоростью v (рис. 4.8, а), т. е. изменять величину магнитного потока, протекающего через сердечники катушек, то в катушках будет индуктироваться переменная ЭДС & = B0LKv/n, где п — число витков катушек; Во —индукция в магнитной цепи (в отсутствие колебаний); LK — индуктивность катушек. С другой стороны, если к катушкам приложить переменное напряжение U^, соз- создающее в них ток ( (рис. 4.8, б), то при усло- условии В^, < Во (где Вы переменная составляю- составляющая индукции в магнитной цепи) на мембра- мембрану будет действовать переменная сила (усилие) &" — Во LK i/n. Ввиду этого электромехани- электромеханический преобразователь электромагнитного типа имеет коэффициент электромеханической связи /Сев = B0LK/n. 4.5. МЕТОДЫ СОСТАВЛЕНИЯ АНАЛОГОВЫХ СХЕМ Было разработано несколько методов со- составления аналоговых схем механических си- систем. Во всех методах сначала строится меха- механическая система, т. е. каждый механический конструктивный элемент заменяется узлами и цепочками, состоящими из механических элементов: массы, гибкости, активного со- сопротивления и трансформаторов. Так, напри- например, диафрагма заменяется узлом, состоящим из массы, гибкости и активного сопротивления (см. табл. 4.3, а). Акустические элементы заме- заменяют механическими, отверстие или узкую трубку — массой 1, объем — гибкостью (см. табл. 4.4, д). Если под диафрагмой находятся небольшая камера или тонкий слой воздуха, то это означает, что масса диафрагмы подвешена на двух параллельных пружинах (гибкостях). Если за камерой находятся узкая трубка или отверстие, то их масса помещается за соответ- соответствующей камере пружиной. Если за отвер- отверстием или трубкой находится большой объем, то за массой отверстия должна включаться пружина (гибкость), соответствующая этому объему. Если из камеры есть еще ответвление в виде трубки (или узкой щели), то за пружиной, соответствующей этой камере, надо включать массу щели. Если эта щель соединена с объемом, в который вело отверстие, то масса присоединяется к концу пружины, со- соответствующей объему, и т. п^ Ткань, фильтц или тонкая пленка, закрывающая отверстие, заменяется активным механическим сопротив- сопротивлением, соединенным в узел с массой. На рис. 4.9, а показана конструкция акус- тшео-механической системы. На рис. 4.9, б дано построение ее в виде системы, состоящей из масс, гибкостей и активных сопротивле- сопротивлений. Поясним это построение. На входе рас- рассматриваемой системы, являющейся элект- электромагнитным микрофоном, действует сила F — pS, где S — общая площадь входных от- 1 Следует иметь в виду, что масса счита- считается несжимаемой и поэтому имеет одну точку включения. Рис. 4.9> Конструкция ме- механической системы (а) и соответствующая ей меха- механическая система (б): т, — масса воздуха в каналах амбушюра А; г, — активное сопротивление каналов; сх — гибкость объема воздуха над диафрагмой Д; т2 — масса диа- диафрагмы; сг — гибкость ее; г% — активное сопротивление (поте- (потери в диафрагме); с3 —гибкость объема воздуха под диафраг- диафрагмой; Из и т3. —массы воз- воздуха в двух отверстиях, в пе- перегородке под диафрагмой; г% и гз — активные сопротивле- сопротивления, вносимые материей, за- закрывающей отверстия в пере- перегородке; с* — гибкость объема воздуха под перегородкой 60
Рис. 4.10. Пример построения аналоговой схемы: а — последовательность построе- построения: б — окончательная аналого- аналоговая схема =± с, Ф /г тг верстий микрофона, ар — звуковое давление около микрофона. Сила F приложена к массе тг, соответствующей массе воздуха в отверсти- отверстиях амбушюра. В этих же отверстиях нахо- находится и активное сопротивление гх (трение о стенки отверстия, вязкость воздуха, излуче- излучение и т. д.), и поэтому сила приложена и к это- этому сопротивлению. Масса воздуха в отверстиях практически несжимаема, поэтому сила F пол- полностью воздействует и на объем, находящий- находящийся за ними, т. е. иа гибкость сх объема воздуха над диафрагмой. Имеем узел / из щ, гг и сг. Звуковое давление, создающееся в объеме над диафрагмой, действует на диафрагму Д, которая представляет собой узел сопротивле- сопротивлений 2 из т2, г% и с2. Но, кроме того, то же дав- давление должно преодолевать сопротивление объема воздуха с3 под диафрагмой. Поэтому его упругость s8 = l/c8 складывается (см. табл. 4.2, б) с упругостью диафрагмы s2 = — 1/с2. Звуковое давление, создающееся в этом объеме, воздействует на массу, нахо- находящуюся в отверстиях перегородки П(т'3 и m 8). Кроме того, эти отверстия представ- представляют собой активные сопротивления г'3 и 6) г"8, которые входят в узел 3. Через эти от- отверстия звуковое давление действует на внут- внутренний объем воздуха, имеющий гибкость с4. Так как масса воздуха в отверстиях практи- практически несжимаема, то на гибкость с4 действует то же давление, что и на массу воздуха в отвер- отверстиях, поэтому гибкость ct входит в узел 3. Построим для системы рис. 4.9, б аналого- аналоговую электрическую схему, для чего восполь- воспользуемся методом Белова. По этому методу берет- берется узел /, к которому приложена сила, и стро- строится контур из всех элементов, входящих в данный узел с включением в него напряжения (силы). Затем строится следующий контур, со- соответствующий узлу 2, в который входят его элементы (т2, г2, сг, с8) и общий элемент с пер- первым контуром (ci) и т. д. Надо для каждого узла построить контур и затем совмещать их путем совмещения одно- одноименных элементов. Покажем это на примере. На рис. 4.10, а показаны такие контуры для каждого из узлов схемы предыдущего примера. На рис. 4.10, б показана окончательная анало- аналоговая схема. РАЗДЕЛ 5 МИКРОФОНЫ И ЛАРИНГОФОНЫ 5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ Микрофон (от микро и фон) — это устрой- устройство для преобразования акустических колеба- колебаний воздушной среды в электрические сигна- сигналы. В настоящее время существуют различные типы микрофонов, которые находят широкое применение в системах радиовещания, теле- телевидения, телефонии, озвучения, звукоусиле- звукоусиления, записи и усиления звука. Микрофон яв- является первым и одним из наиболее важных звеньев любого электроакустического тракта. Поэтому его свойства оказывают огромное вли- влияние на качество работы этого тракта. Ларингофон (от ларинго и фон) — это уст- устройство для преобразования механических ко- колебаний связок и хрящей гортани говорящего человека в электрические сигналы. Он мало- малочувствителен к колебаниям воздушной среды. Ларингофон применяется вместо микрофона на тех объектах связи, где имеются высокие уров- уровни акустических шумов (самолет, танк, про- промышленный цех и др.)- При работе ларинго- ларингофон укрепляется на шее у гортани человека. Микрофоны в зависимости от назначения подразделяют на профессиональные и бытовые (любительские). Первые из них используют при профессиональной звукозаписи в радио- радиовещании, телевидении, системах звукоусиле- звукоусиления, для акустических измерений и т.д. Они,
Как правило, имеют высокие параметры ка- качества. Бытовые микрофоны используют при домашней звукозаписи. Они проще по устрой- устройству, дешевле, но уступают профессиональным микрофонам по техническим параметрам. По способу преобразования колебаний мик- микрофоны подразделяют на электродинамиче- электродинамические (катушечные и ленточные), электроста- электростатические (конденсаторные и электретные), электромагнитные, угольные и др.; по диапа- диапазону воспринимаемых частот — на узкопо- узкополосные (речевые) и широкополосные (музыкаль- (музыкальные); по направленности — на ненаправлен- ненаправленные (круговые), двусторонненаправленные (восьмеричные или косинусоидальные), односторонненаправленные (кардиоидные, суперкардиоидные, гиперкардиоидные), остро- направленные; по помехозащищенности — на шумозащищенные и обычного исполнения. Основные параметры микрофонов: номи- номинальный диапазон частот, модуль полного электрического сопротивления, чувствитель- чувствительность по свободному полю, типовая частот- частотная характеристика чувствительности, характеристика направленности, перепад чувствительности фронт/тыл, коэффициент гармоник, динамический диапазон, разность уровней чувствительности стереофонической системы. Эти, а также и другие параметры мик- микрофонов нормированы ГОСТ 6495—84 «Мик- «Микрофоны, общие технические условия». В ГОСТ 16123-84 приведены термины и их определения. ГОСТ 6495—84 распространяется иа динамиче- динамические и конденсаторные микрофоны, используе- используемые в системах звукозаписи, звукопередачи, звукоусиления и служебной связи в радио- радиоэлектронной аппаратуре бытового и профессио- профессионального назначения. По электроакустическим параметрам мик- микрофоны разделяют на четыре группы сложно- сложности: нулевая (высшая), первая, вторая и третья. Микрофоны нулевой, первой и второй групп сложности предназначены для звуко- звукопередачи, звукозаписи и звукоусиления му- музыки и речи, микрофоны третьей группы слож- сложности — только для речи. Кроме того, по не- некоторым параметрам микрофоны подразделя- подразделяются на устройства высшей и первой категорий качества. В соответствии с требованиями ГОСТ 6495 —84 основные электроакустические па- параметры микрофонов должны удовлетво- удовлетворять нормируемым значениям при температу- температуре 15...35°С, относительной влажности воз- воздуха 45 ... 80 % и атмосферном давлении 84 ... 106,7 кПа. Номинальный диапазон частот — тот ди- диапазон частот, в котором микрофон вос- воспринимает акустические колебания и в кото- котором нормируются его параметры. Для профес- профессиональных студийных целей обычно стре- стремятся использовать микрофоны нулевой груп- группы сложности высшей категории качества, для которых нормируется диапазон частот 20 ... 20 000 Гц. Микрофоны первой группы сложно- сложности должны иметь номинальный диапазон час- частот не менее 31,5 ... 18 000 Гц, второй группы 50 ... 15000 Гц, третьей группы 63 ...12 500 Гц. Модуль полного электрического сопротивле- сопротивления (называемого также выходным или внут- внутренним) нормируется на частоте 1 кГц. Со- Сопротивление может быть комплексным Zt или активным Rt. Если оно комплексное и, следо- следовательно, зависимое от частоты, то в справоч- справочниках приводят или модуль на частоте 1 кГц, нли среднее значение по диапазону частот. В ГОСТ 6495—84 для микрофонов нулевой и первой групп сложности нормируются значе- значения модуля полного электрического сопротив- сопротивления 50 Ом и менее, 100 и 200 Ом, а для мик- микрофонов второй и третьей групп сложности так- также еще и 2 кОм. Во многих случах помимо модуля полного электрического сопротивления (или вместо него) в паспорте указывается номинальное со- сопротивление нагрузки ZH, т. е. такое сопротив- сопротивление нагрузки, которое рекомендуется под- подключать к выходу микрофона при его работе. До 60-х годов рекомендовалось при работе вы- выбирать номинальное сопротивление нагрузки равным входному сопротивлению микрофона Ri, т. е. RH — Ri- При этом получался режим согласованного включения источника и нагруз- нагрузки, характеризующийся максимальной переда- передачей мощности сигнала. Но от микрофона тре- требуется не максимум мощности, а максимум выделения напряжения на нагрузке. Поэтому сейчас обычно рекомендуется выбирать номи- номинальное сопротивление нагрузки в несколько раз больше выходного сопротивления микро- микрофона. Например, при выходном сопротивле- сопротивлении микрофона Ri = 200 Ом рекомендуется номинальное сопротивление нагрузки /?н= = 1 кОм. Так как при этом оказывается RH— = 5Ri, т.е. получается режим работы, близ- близкий к режиму холостого хода, то при этом на- напряжение при нагрузке оказывается- почти в 2 раза больше, чем в режиме согласованного включения. Чувствительность микрофона — это , от- отношение напряжения U на выходе микрофона к воздействующему на него звуковому давле- давлению р, выраженное в милливольтах на паскаль (мВ/Па): Е = Ulp. Различают следующие виды чувствитель- чувствительности микрофона; осевая (по фронту) и по раз- различным направлениям (чаще всего по тылу); по свободному и по диффузному полю; на номинальной согласованной нагрузке и на хо- холостом ходу. В паспорте обычно приводится осевая чувствительность, измеренная в свобод- свободном поле при работе на согласованную на- нагрузку. Осевая чувствительность микрофона опре- определяется при воздействии на него звукового давления вдоль оси по фронту, т. е. под уг- углом 0°. Чувствительность по свободному полю ?св определяют при воздействии на микрофон звукового давления в свободном поле, когда .напряжение U на выходе микрофона относят к звуковому давлению рсв в точке поля до раз- размещения в ней микрофона; Есв = U/pCB. 62
Чувствительность по диффузному полю ?Диф определяют при воздействии на микро- микрофон звукового давления в диффузном поле, причем напряжение U на выходе микрофона относят к звуковому давлению Рдиф в точке до размещения в ией микрофона: При этом свободным полем называют такое поле, в котором преобладает прямая звуковая волна, а влияние отраженных звуковых волн пренебрежимо малб. Диффузное поле — это однородное и изотропное поле, т. е. такое поле, в каждой точке которого одинакова плотность звуковой энергии (однородное поле) и в кото- котором по всем направлениям распространяются одинаковые потоки звуковой энергии (изо- (изотропное поле). Чувствительность микрофона зависит от частоты. Поэтому введено понятие средней чув- чувствительности — среднеквадратическое зна- значение в номинальном диапазоне частот, причем усредняют чувствительность, измеренную на частотах из предпочтительного октавного ря- ряда частот: 31,5; 63; 125; 250 ... 8000 и 16 000 Гц. - Уровень чувствительности — чуствитель- ность, выраженная в децибелах относительно величины ?нач s= * В/Па и определяемая по формуле: ? = 20lg?—60, дБ, где Е — чувствительность микрофона, мВ/Па. Стандартный уровень чувствительно- чувствительности — выраженное в децибелах отношение напряжения UH, развиваемого на номинальном сопротивлении нагрузки /?НОм при звуковом давлении 1Па, к напряжению, соответствую- соответствующему мощности Ро= 1 мВт, т. е. уровень мощ- мощности , отдаваемой микрофоном в номинальную нагрузку /?Ном ПРИ давлении Р = 1 Па: #ст. = 20 lg (U В качестве примера определим стандарт- стандартный уровень чувствительности микрофона на номинальной нагрузке /?ном — 150 Ом, если его чувствительность Е = 1 мВ/Па = 10~8Х XB/Па, — 10 lg[10—3/<I50-10—*)]-= — 52 дБ. Стандартный уровень чувствительности можно определить также по графикам, приве- приведенным на рис. 5.1. Для этого необходимо вос- восстановить ординату из точки на оси абсцисс, соответствующей чувствительности 1 мВ/Па, до пересечения с прямой, обозначенной через /?н = 150 Ом, и на оси ординат отсчитать стан- стандартный уровень чувствительности — 52 дБ. 0 -40 -52 -so -во -то • 1 zoooX .*" ^^ «• > X *^ ?,мв/па 0,5 1 5 10 SO 100 Рис. 5.1. Зависимость стандартного уровня от чувствительности При определении чувствительности по преж- прежнему обозначению через мВ/бар уровень со- составил бы —72 дБ. Осевая чувствительность по свободно- свободному полю конденсаторных микрофонов профес- профессионального назначения нулевой и первой групп сложности при модуле полного элект- электрического сопротивления 200 Ом должна быть не менее 10 мВ/Па, динамических микрофонов первой группы сложности 1 мВ/Па. Отклоне- Отклонение чувствительности иа частоте 1 кГц от ми- нимального значения, указанного в техниче- технических условиях для конкретного типа микро- микрофона, не должно превышать 2,5 дБ для мик- микрофонов нулевой группы сложности и 6 дБ для микрофонов первой и второй групп слож- сложности. Неравномерность частотной характери- характеристики определяется как разность между мак- максимальным и минимальным уровнями чувстви- чувствительности микрофона в номинальном диапазоне частот и выражается в децибелах: На рис. 5.2 приведены допусковые области типовых частотных характеристик чувстви- чувствительности микрофонов по свободному полю в соответствии с ГОСТ 6495—84. Типовые час- частотные характеристики должны находиться в пределах допусковых областей микрофонов нулевой (рис. 5.2, а), первой (рис. 5.2, б), второй (рис. 5.2, в) и третьей (рис. 5.2, г) групп сложности. При этом непрерывными ли- линиями обозначены допуски для односторонне- направленных микрофонов, а штриховыми— для ненаправленных микрофонов. Крутизна наклона линий, пересекающихся на частоте 1 кГц, должна составлять 6 дБ на октаву. Крутизна типовой частотной характеристики чувствительности в рабочем диапазоне частот допускается не более 9 дБ на октаву. Откло- Отклонение формы частотной характеристики от ти- типовой не должно превышать ±2 дБ для микрофонов нулевой группы сложности, ± 2,5 дБ — первой группы, ±3 дБ — второй и тре- третьей групп, 63
л -4 -я а f , Г Т.Ги 20 31550 100 250 х 1000 125002 N,a6 а) * 0 -4 -8 Si 3X550 6 250 1000 V №012500 18000 4 О -4 -8 II * 4 . Iе. Ги 4 0 -4 -в -12 -fS 50 Аб 250 , 1000 о) I У /у / / f г-5 *-/- / ч 300012500 15000 и 250 1000 г) 5000 12500 Рис. 5.2. Допусковые области типовых частот- частотных характеристик Характеристика направленности R F)— зависимость чувствительности микрофона в свободном поле на определенной частоте / (или в полосе частот со среднегеометрической частотой /ср) от угла в между рабочей осью микрофона и направлением на источник зву- звука. Обычна приводят нормированную характе- характеристику направленности, т. е. зависимость от- отношения чувствительности ?0, измеренной под углом 6, к осевой чувствительности ?«. т- е. R (в) = ?в/?0. В случае определения характеристики на- направленности в децибелах приводят нормиро- нормированную характеристику направленности, выра- выраженную в децибелах, как разность между уровнем осевой чувствительности микрофона ЛГмв, т. е. R (в) - ЛГмв - #м.о. Диаграмма направленности — это графи- графическое изображение характеристики направ- направленности, которое чаще всего приводят в по- полярных координатах. В качестве примера на рис. 5.3 приведены три наиболее часто встречающиеся диаграммы направленности микрофонов: а — круговая, б — косинусоидальная, в — кардиоидиая. Перепад чувствительности нормируется для случаев 0/180° (т. е. фронт-тыл) и 0/90°. Для ненаправленных микрофонов перепад чувствительности микрофонов по свободному полю при углах приема 0 и 90° должен быть не более 2 дБ на частотах до 1 кГц, не более 4 дБ на частотах 1...5 кГц и не более 8 дБ на частотах 5 ... 8 кГц. Для односторонненаправ- ленных микрофонов перепад чувствительности в диапазоне частот 250 ... 5 000 Гц должен ук- укладываться в пределы 3 ... 10 дБ. Перепад чувствительности фронт-тыл для односторон- ненаправленных микрофонов нулевой группы сложности на частотах 250 ... 5 000 Гц должен быть не менее 10 дБ, в том числе при кардио- идной характеристике — не менее 20 дБ. Направленные свойства микрофона оцени- оценивают также с помощью коэффициента направ- направленности. Коэффициент направленности — отношение квадрата чувствительности микро- микрофона в свободном поле в направлении рабочей оси к среднему по всем направлениям квадрату чувствительности на частотах / или в полосе частот со среднегеометрической частотой /ср Рис. 5.3. Типовые диаграммы направленности микрофонов Это отношение, выраженное в децибелах, называется индексом направленности: Q = = 10 1gQ. Коэффициент гармоник микрофонов обыч- обычно не нормируют и не измеряют, так как он не- небольшой (менее 0,5 %) при воздействии уров- уровней звукового давления до 120 дБ. Вместо это- этого нормируют уровень предельного звукового давления в диапазоне частот 250 ... 8 000 Гц, при котором коэффициент гармоник не превы- превышает определенного значения. Так, у микрофо- микрофонов профессионального назначения высшей категории качества нулевой группы сложно- сложности уровень предельного звукового давления при коэффициенте гармоник 0,5 % может до- достигать 140 дБ, первой и второй группы слож- сложности — 120 дБ, у микрофонов бытового на- назначения — 114 дБ. Динамический диапазон микрофона — разность между уровнем предельного зву- звукового давления Nmax и уровнем собственных шумов Nm:D = Nmax — #ш, дБ. Уровень собственных шумов появляется на выходе микрофона в отсутствие какого-либо акустического сигнала на его мембране. На- Напряжение шумов является следствием флукту- флуктуации частиц в окружающей среде, а также теп- тепловых шумов резисторов и усилительных эле- 64
ментов электрической части микрофона. Уро- Уровень собственного шума микрофона, приведен- приведенный к его акустическому входу, определяют как уровень эквивалентного звукового давле- ия рш, при воздействии которого на микрофон получилось бы то же выходное напряжение, которое получается за счет тепловых шумов в отсутствие полезного сигнала: Nm = 20\g (рш/р0), дБ, гдерш ¦¦= 11ш1Еа; р0 = 2-10~5 Па. Уровень эквивалентного звукового давле- давления, обусловленный собственным шумом мик- микрофона относительно давления ро= 2-10~6 Па, измеренный по кривой А, не должен пре- превышать 18 ... 20 дБА для профессиональных микрофонов нулевой и первой групп сложно- сложности и 35 ... 38 дБА для бытовых микрофонов. Для стереофонических микрофонов допол- дополнительно нормируют разность уровней чувст- чувствительности по свободному полю стереоси- стереосистемы в диапазоне частот 250... 8 000 Гц. Для стереофонических микрофонов нулевой группы сложности разность не должна превы- превышать 1,5 дБ, для остальных групп сложно- сложности — не более 3 дБ. Нормируемые в ГОСТ 6495—84 основные электроакустические параметры микрофонов приведены в табл. 5.1. Наименование микрофона должно содер- содержать: слово «Микрофон»; условное обозначение, состоящее из букв: МД — микрофон динамический катушечный; МЛ — микрофон динамический ленточный; МК — микрофон конденсаторный; МКЭ — микрофон конденсаторный электретный; цифрового индекса, первая цифра которого обозначает группу сложности (требование вве- введено с 01.01.88 г.), а последующие цифры— порядковый номер разработки модели, в за- зависимости от вариантов конструкции микро- микрофона; к цифровому индексу может быть добавлен буквенный индекс А, Б, В, Г включительно и С — стереофонический микрофон. Примеры наименования микрофонов: МД-281 — дийамический микрофон второй группы сложности с порядковым номером раз- разработки 81; МД-281 А — тот же микрофон с усовершен- усовершенствованной конструкцией; МК-021С ^-стереофонический конденса- конденсаторный микрофон нулевой группы сложно- сложности с порядковым номером разработки 21; МКЭ-156 — конденсаторный электретный микрофон первой группы сложности с поряд- порядковым номером разработки 56. 5.2. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МИКРОФОНОВ Любой микрофон состоит из двух систем: акустико-механической и механоэлектрической. Свойства акустико-механической системы сильно зависят от того, воздействует ли звуко- 0,01 OflB 0,1 0,1 0,4 Ofi 1 , 2 4 0 Рис. 5.4. Зависимость коэффициента Дифрак- Дифракции от частоты вое давление на одну сторону диафрагмы (микрофон давления) или на обе стороны, а во втором случае от того, симметрично ли это воз- воздействие (микрофон градиента давления) или 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 (асимметрич- (асимметричный микрофон градиента давления). При действии акустических колебаний только на одну сторону диафрагмы, т. е. на микрофон давления, результирующая сила, действующая на нее, F = kpQS, где р0 — звуковое давление, имевшее место в акусти- акустическом поле до внесения в него микрофона; S — поверхность диафрагмы, на которую дей- действует звуковое давление; k — коэффициент дифракции, определяемый как отношение зву- звукового давления р на поверхности диафрагмы к давлению ро> имевшему место в поле до вне- внесения в него микрофона. На низких частотах, где размеры микрофона малы по сравнению с длиной звуковой волны, k = I и повышает- повышается к высоким частотам. На зависимость коэф- коэффициента k от частоты сильно влияет форма микрофона в целом. Это хорошо иллюстрирует рис. 5.4, на котором приведены выраженные в децибелах зависимости коэффициента диф- дифракции звукового давления на поверхности жесткого цилиндра с высотой, равной его диа- диаметру — (рис. 5.4, а), куба (рис. 5:4, б) и сфе- сферы (рис. 5.4, в). По оси абсцисс здесь отложе- отложены: dl"K — отношение диаметра цилиндра или сферы к длине волны или Ilk — отношение дли- длины ребра куба и длине волны. Параметр Ф се- 3 Зак. 1688 65
Таблица 5.1. Параметры микрофонов Параметр Номинальный диапазон частот, Гц Модуль полного электрического сопротив- сопротивления на частоте 1 кГц, Ом, с допускаемым отклонением не более ±20% Чувствительность по свободному полю на частоте 1 кГц при модуле полного электри- электрического сопротивления 200 Ом, мВ/Па, не менее микрофонов конденсаторных профессиональ. ных, конденсаторных бытовых, динамических Отклонение чувствительности на частоте 1 кГц от минимального значения, указан- указанного в технических условиях, дБ, не более Типовая частотная характеристика чувстви- чувствительности по свободному полю должна на- находиться в пределах допусковых областей Отклонение формы частотной характеристи- характеристики чувствительности от типовой, дБ, не бо- более Перепад чувствительности: ненаправленных микрофонов при углах 0 и 90° на частотах 1...5 кГц, не более односторонненаправленных микрофонов при углах 0 и 90° на частотах 250...5000 Гц, дБ Средний перепад чувствительности фронт- тыл кардиоидных микрофонов в диапазоне частот 250...5000 Гц, дБ, не менее Уровень эквивалентного звукового давле- давления, обусловленный собственным шумом конденсаторного микрофона относительно 2-10~5 Па, дБА, не более, для микрофонов: профессионального назначения бытового назначения Уровень предельного звукового давления в диапазоне частот 260...8000 Гц, дБ, не менее, для микрофонов: профессионального назначения при коэф- коэффициенте гармоник 0,5% бытового назначения при коэффициенте гармоник 1% Разность уровней чувствительности у сте- стереофонических микрофонов в диапазоне 250...8000 Гц, дБ, не более Норма по группам сложности нулевая 20...20 000 31,5... 18 009 50 100 200 10 — — 2,5 Рис. 5.2, а ±2 4 3...10 20/18 18/20 — 140/126 — 1,5 первая 31.5...18 000 40... 16 900 50 100 200 10 1,5 1 6 Рис. 5.2,6 ±2,5 4 3...10 16/15 18/20 — 120/114 — 3 вторая 50... 15 000 50... 12 500 50 100 200 2000 8 2 1,3 6 Рис. 5.2, в ±3 — 3...10 12/10 26/28 28/30 120/114 114 3 третья 63... 12 500 80... 10 000 50 100 200 2009 2 2 1,3 — Рис. 5.2, г ±3 — 3...10 12/10 — 35/38 — 114 3 Примечание. В числителе приведены нормы для -микрофонов высшей категории качества, в знаме- знаменателе — для первой категории. 66
мейства кривых — это угол между осью ци- цилиндра (куба, сферы) и направлением прихо- прихода звука. Следует з.чмсить, что кроме формы микро- микрофона на коэффициент дифракции влияет так- также акустико-механическое сопротивление мик- микрофона и даже его стенок. Кривые рис. 5.4 дают приближенное пред- представление о частотной зависимости коэффици- коэффициента дифракции от внешней формы микрофона. По этим кривым можно определить повышение уровня звукового давления на поверхности жестких тел рассмотренных, форм. Пример. Пусть желательно найти повыше- повышение уровня звукового давления у основания цилиндрического кожуха микрофона, у кото- которого d = h =0,05 м при падении на него зву- звуковой волны частотой 2750 Гц под углом Ф= = 30° к оси цилиндра. Длина волны в воздухе для этой частоты X = 0,125м. Отсюда находим, что dl"K = 0,4. Восстанавливая ординату из точки на оси абсцисс, соответствующей этой величине, до пересечения с кривой, имеющей отметку Ф = 30° на графике для цилиндра, отсчитываем на оси ординат Ле = 5 дБ, что приблизительно и является искомой величиной повышения уровня. Давление, действующее на диафрагму, из- изменяется по сравнению с давлением в свобод- свободной волне не только из-за дифрации, но и из-за резонирующего действия углубления перед диафрагмой, образующегося у многих типов микрофонов вследствие применения колец для крепления диафрагмы к основной конструк- конструкции микрофона. Увеличение давления на диаф- диафрагме вследствие действия углубления может быть определено с помощью кривых рис. 5.5. Пример. Пусть требуется иайти увеличе- увеличение давления на дне углубления диаметром 2г = 0,05м и глубиной / = 0,0125 м на частоте /= 1530 Гц. Параметр а= г/1 будет равен 0,025/0,0125 = 2. Длина волны на этой часто- частоте составляет к = 0,224 м. Отсюда 2 пг/к= = 2 я 0,025/0,224 = 0,7. Восстанавливая ор- ординату из точки на оси абсцисс, составляющей 0,7, до пересечения с кривой, имеющей отмет- отметку а = 2, отсчитываем на оси 1,6, т. е. на две углубления давление будет в 1,6 раза больше (на 4 дБ выше), чем в свободной Звуковой волне. Если звуковое давление р0 действует сим- симметрично на обе стороны диафрагмы микрофо- микрофона (микрофон градиента давления), малого по размерам по сравнению с длиной падающей на него плоской волиы, то сила, действующая на диафрагму: / © " \ F — 2р0 sin f -—- d cos 61, где с — скорость звука в воздухе (с = 343 м/с при 20 °С); d — разность хода звука между обеими сторонами диафрагмы; 8 — угол меж- между рабочей осью микрофона и направлением прихода звука (рис. 5.6). Для низких частот, где 0,5 cad/c < я/2, сила F = (p0Sd(ulc) cos 8. При осевом падении зву- звука F = p0Sdia/c. Р/Ро 2,6 1,2 18 0,6 Ул Ш 'А • 4; i * У/, as J Г 1 . t / V •1\ L. I V 1 \ к, 2 Л* \ к. а - у/1 ¦г 0,1 0,30,40,50,60,81 2 3 кг=2пг/к Рис. 5.5. Зависимость коэффициента дифрак- дифракции от коэффициента kr Таким отразом, сила в микрофонах гради- градиента давления частотно-зависима. На низких частотах эта зависимость линейна, на высо- высоких— приблизительно синусоидальна. Кроме того, на высоких частотах, где размеры микро- микрофона становятся сравнимыми с длиной волны, начинают сказываться частотно-зависимые явления дифракции. Приведенные выражения для силы, дейст- действующей на открытую воздействию звукового давления с обеих сторон диафрагму, действи- действительны при нахождении ее в поле плоской волиы. При нахождении же ее в поле сфериче- сферической волиы, т. е. вблизи источника, последнее выражение для силы приобретает вид где г — расстояние от источника до плоскости диафрагмы. При г > {elm) выражение сов- совпадает с предыдущим. При г < (с/©) сила F == PbSd/r, т. е. сила становится частотно- независимой. Это явление может дать как от- отрицательный, так и положительный эффект. Так, если микрофон (например, ленточный), на диафрагму которого звуковое давление дей- действует с обеих сторон, помещается вблизи ис- источника, то, как видно из приведенных фор- формул, на высоких частотах он может нахо- находиться еще в поле плоской волны и сила, дей- действующая на него, будет пропорциональна частоте. На низких же частотах эта сила уве- увеличивается по абсолютной величине и может стать даже частотио-независимой. Поэтому Рис. 5.6. К определению разности хода звуко- звуковых волн 67
микрофон будет подчеркивать низкие частоты, «бубнить». С другой стороны, если такой микрофон рассчитан на работу вблизи полезного источ- источника, то силы, обусловленные звуковым дав- давлением той же величины от дальних источни- источников (помех), будут меньше и, следовательно, микрофон будет менее чувствительным по от- отношению к ним, т. е. шумозащищенным, осо- особенно на низких частотах. Пример. Пусть требуется найти, во сколь- сколько раз сила, действующая на диафрагму мик- микрофона градиента давления, разность хода между сторонами которой составляет 0,02 м, больше силы, действующей на такую же диаф- диафрагму микрофона давления на частоте 500 Гц, если источник находится на расстоянии 0,3 м от микрофона. На рис. 5.7 восстанавливаем ординату из точки на оси абсцисс, соответствующей /--500 Гц, до пересечения с кривой, имеющей отмет- отметку 30 см, отсчитываем на оси ординат 0,095. Отсюда отношение сил будет 0,095-2=0,19. Следовательно, сила, действующая на диаф- диафрагму микрофона градиента давления, будет составлять 0,19 силы, действующей на такую же диафрагму микрофона давления. Коэффициент р/р0 на рис. 5.7 соответствует отношению разности Др давления, действую- действующего на обе стороны диафрагмы, к давле- давлению р0 в свободном поле. Параметр кривых/? — расстояние от источника до плоскости диафраг- диафрагмы. Кривые построены для разности хода между обеими сторонами диафрагмы, равной 1 см. Для другой разности хода следует умно- умножить на ее значение величину, полученную из графика. Изменением конструкции микрофо- микрофонов, в которых звуковое давление действует несимметрично на обе стороны диафрагмы, можно получить разнообразные формы ха- характеристик направленности и добиваться их меньшей зависимости от частоты. Большое влияние на характеристики мик- микрофона оказывает его механоэлектрическая часть. В зависимости от принципа преобразо- преобразования механических колебаний в электриче- электрические микрофоны делятся на электродинами- 10 -г 10 — 23 5 -«• Ш 5 rob.,' - 1 / • 2... 100 юоо 10000 ческие (катушечные и ленточные), конденса- конденсаторные (в том числе электретные), электро- электромагнитные, пьезоэлектрические, угольные, транзисторные. В электродинамических и электромагнитных микрофонах выходное электрическое напряжение пропорционально скорости колебаний подвижной системы, а в микрофонах остальных типов — пропорцио- пропорционально колебательному смещению. Первым получил распространение уголь- угольный микрофон, который и до сих пор исполь- используют в телефонии. В первые годы радиовеща- радиовещания специальные конструкции угольных мик- микрофонов использовались и в этой области. Действие угольного микрофона основывается на изменении сопротивления между зернами угольного порошка при изменении давления на их совокупность. Угольный микрофон (рис. 5.8, а) работает следующим образом. При воздействии звуко- звукового давления на его диафрагму / она начина- начинает колебаться. В такт этим колебаниям изме- изменяется и сила сжатия зерен угольного порош- порошка 2, в связи с чем изменяется сопротивление между электродами 3 и 4, а при постоянном электрическом напряжении изменяется и ток через микрофон. Если, скажем, включить мик- микрофон к первичной обмотке трансформатора Тр, то на зажимах его вторичной обмотки бу- будет возникать переменное напряжение, форма кривой которого будет отображать форму кривой звукового давления^ воздействующего на диафрагму угольного микрофюна. Выходное напряжение микрофона Uо Run kF = kx U0RHn n RH n Рис. 5.7. Зависимость коэффициента &р/ро от частоты (О2Н /?Г где F — действующая на диафрагму микрофо- микрофона результирующая сила звукового давления; Uo — приложенное к микрофону постоянное напряжение; m — коэффициент модуляции, Ri — внутреннее сопротивление микрофона; RH — сопротивление его нагрузки; п — коэф- коэффициент трансформации; х — смещение диаф- диафрагмы микрофона; zM — механическое сопро- сопротивление акустико-механической системы микрофона; k — отношение коэффициента мо- модуляции к величине смещения диафрагмы микрофона. Основное преимущество угольного микро- микрофона— высокая чувствительность, позволяю- позволяющая использовать его без усилителей. Недо- Недостатки— нестабильность работы и шум из-за того; что полезный электрический сигнал выра- вырабатывается при разрыве и восстановлении кон- контактов между отдельными зернами порошка (что само по себе является процессом прерыв- прерывным), большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения. Эти недостатки угольного микро- микрофона привели к тому, что всюду, где требуется высокое качество преобразования, например в радиовещании, при звукозаписи и измерени- измерениях, его уже давно не применяют. 68
/ 2 Z 4 1 г z Z 4 бых Рис. 5.8. Устройство микрофонов: а — угольного; б — электромагнитного; в — электродинамического; г — ленточного; д — конденса- конденсаторного: е — пьезоэлектрического После угольного микрофона появился электромагнитный микрофон, который рабо- работает следующим образом (рис. 5.8, б). Перед полюсами (полюсными наконечниками) 2 маг- магнита 3 располагают ферромагнитную диафраг- диафрагму / или скрепленный с ней якорь. При коле- колебаниях диафрагмы под воздействием на нее зву- звукового давления меняется магнитное сопро- сопротивление системы, а значит, и магнитный поток через витки обмотки, намотанной на магнито- провод этой системы. Благодаря этому на за- зажимах обмотки возникает переменное напря- напряжение звуковой частоты, являющееся выход- выходным сигналом микрофона, величина которого ф° Фп •= W F *м Я„ Здесь, помимо введенных выше обозначений, Фо — магнитный поток, исходящий из полю- полюса магнитной ситемы; d — зазор между полю- полюсом и якорем; v — колебательная частота ди- диафрагмы (якоря); w — число витков обмот- обмотки; zt — внутреннее электрическое сопротив- сопротивление микрофона. Электромагнитный микрофон стабилен в работе. Однако ему свойственны узкий частот- частотный диапазон, большая неравномерность час- частотной характеристики и значительные нели- нелинейные искажения. Этим и объясняется то, что область применения электромагнитного мик- микрофона очень узкая. Следует отметить, что с целью повышения разборчивости речи в трактах, через которые она передается и где больше всего применяют электромагнитный микрофон, его частотную характеристику стремятся иметь с подъемом к высоким частотам с крутизной 6 дБ на окта- октаву. Это делают для компенсации снижения спектра речи на частотах свыше 400 Гц. В противоположность электромагнитному микрофому чрезвычайно широкое распрост- распространение для целей озвучения, звукоусиления- а раньше и звукозаписи и радиовещания по, лучил электродинамический микрофон в сво- своих двух модификациях — катушечной и ленточной. Принцип действия электродинамического катушечного микрофона состоит в следующем (рис. 5.8, в). В кольцевом зазоре / магнитной системы, имеющей постоянный магнит 2, на- находится подвижная катушка 3, скрепленная с диафрагмой 4. При воздействии на последнюю звукового давления она вместе с подвижной катушкой начинает колебаться. В силу этого в витках катушки, перерезывающих магнитные силовые линии, возникает напряжение, явля- являющееся выходным сигналом микрофона. Его величина выражается как ЯН-Ян = В1 Ян | Н~ Ян Здесь помимо введенных выше обозначений, В — индукция в зазоре магнитной системы; / — длина проводника обмотки подвижной катушки. Электродинамический микрофон стабилен, имеет довольно широкий частотный диапазон, сравнительно небольшую неравномерность частотной характеристики. Устройство ленточного электродинамиче- электродинамического микрофона несколько отличается от уст- устройства катушечной модификации (рис. 5.8, г). Здесь магнитная система микрофона состоит из постоянного магнита / и полюсных нако- наконечников 2, между которыми натянута легкая, обычно алюминиевая, тонкая (порядка 2 мкм) ленточка 3. При воздействии на обе ее сторо- стороны звукового даления возникает сила, под дей- действием которой ленточка начинает колебаться, пересекая при этом магнитные силовые линии, вследствие чего на ее концах развивается на- напряжение. 69
faK как сопротивление ленточки очень ма- мало, то для уменьшения падения напряжения на соединительных проводниках напряжение, развиваемое на концах ленточки, подается на первичную обмотку повышающего трансфор- трансформатора, размещаемого в непосредственной близости от ленточки. Напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора является выходным напряжением микрофона. Выра- Выражение для него не отличается от выражения для выходного напряжения катушечного мик- микрофона. Частотный диапазон этого микрофона довольно широк, а неравномерность частотной характеристики невелика. Для электроакустических трактов высоко- высокого качества наибольшее распространение в на- настоящее время получил конденсаторный (электростатический) микрофон. Принци- Принципиально он работает следующим образом (рис. 5.8, д). Жестко натянутая мембрана / под воздействием звукового давления может ко- колебаться относительно неподвижного электро- электрода 2, являясь вместе с ним обкладками элект- электрического конденсатора. Этот конденсатор включается в электрическую цепь последова- последовательно с источником постоянного тока Е и активным нагрузочным сопротивленцем R. При колебаниях мембраны емкость конденсато- конденсатора меняется с частотой воздействующего на мембрану звукового давления, в связи с чем в электрической цепи появляется переменный ток той же частоты и на нагрузочном сопротив- сопротивлении возникает падение напряжения, явля- являющееся выходным сигналом микрофона. Вы- Выходное напряжение микрофона Я„ + RH Здесь, помимо введенных выше обозначений, d— зазор между диафрагмой и неподвижным электродом; г$ — внутреннее емкостное элект- электрическое сопротивление микрофона. Следует отметить, что нагрузочное сопро- сопротивление должно быть большим, чтобы паде- падение напряжения на нем не уменьшалось силь- сильно на низких частотах, где емкостное сопротив- сопротивление конденсатора ^мембрана — неподвиж- неподвижный электрод) очень велико и эксплуатация такого микрофона была бы, по существу, не- невозможна из-за сравнительно небольшого со- сопротивления микрофонных линий и нагрузки. По этой причине почти у всех современных конденсаторных микрофонов предусмотрены конструктивно связанные с самим микрофо- микрофоном усилители, имеющие малый коэффициент усиления (порядка единицы), высокое входное и низкое выходное сопротивления. Значение последнего таково, что позволяет эксплуати- эксплуатировать конденсаторные микрофоны в условиях обычных линий и нагрузок. Поэтому выходным сопротивлением конденсаторного микрофона считают выходное сопротивление его усилите- усилителя. Аналогично выходным напряжением кон- конденсаторного микрофона считают выходное напряжение его усилителя. Кроме описанной выше схемы включения конденсаторного микрофона, так называемой низкочастотной, применяют, хотя и гораздо реже, так называемую высокочастотную схе- схему, в которой конденсаторный микрофон включают как емкость в электрический колеба- колебательный контур высокой частоты, изменяя его резонансную частоту с периодом колебаний, воздействующих на микрофон. Конденсаторные микрофоны имеют самые высокие качественные показатели: широкий частотный диапазон,' малую неравномерность частотной характеристики, низкие нелиней- нелинейные и переходные искажения, высокую чув- чувствительность и низкий уровень шумов. Электретные микрофоны, по существу, те же конденсаторные, но постоянное напряже- напряжение для них обеспечивается не обычным источ- источником, а электрическим зарядом мембраны или неподвижного электрода, материалы которых отличаются тем, что способны сохранять этот заряд длительное время. Некоторое распространение получили мик- микрофоны пьезоэлектрические (рис. 5.8, е). Их действие основано на том, что звуковое давление воздействует непосредственно или через диафрагму / и скрепленный с ней стер- стержень 2 на пьезоэлектрический элемент 3. При деформации последнего на его обкладках вслед- вследствие пьезоэлектрического эффекта возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона, U _ kx Ян г; 4 /?„ Здесь, помимо введенных выше обозначений, k — пьезоэлектрический коэффициент. Перспективы применения пьезоэлектри- пьезоэлектрических микрофонов в последнее время расши- расширились благодаря появлению используемых для диафрагм микрофонов и других преобра- преобразователей новых синтетических пленочных ма- материалов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом. Действие транзисторных микрофонов (весь- (весьма мало распространенных) основывается на том, что под действием звукового давления на диафрагму скрепленное с ией острие, яв- являющееся одновременно эмиттером полупро- полупроводникового триода, изменяет сопротивление эмиттерного перехода через него. Хотя тран- транзисторные микрофоны с диафрагмой достаточно чувствительны, но они недостаточно стабиль- стабильны и их частотные характеристики даже в срав- сравнительно узком диапазоне частот неравномер- неравномерны. Стереофонический микрофон представляет собой систему из двух микрофонов, конструк- конструктивно размещенных в общем корпусе на одной оси друг над другом. Для записи по системе ХУ применяют стереофонические микрофоны, состоящие из двух одинаковых монофониче- монофонических микрофонов с кардиоидными характерис- характеристиками- направленности, причем акустические оси левого Мх и правого My микрофонов по- повернуты на 90а относительно друг друга 70
(рис. 5.9, а). При записи по системе MS один из микрофонов (микрофон середины М№) имеет круговую характеристику направленно- направленности, а другой (микрофон стороны Ма) — ко* синусоидальную характеристику направлен- направленности (рис. 5.9, б). Радиомикрофон представляет собой систе- систему, состоящую из микрофона, переносного ма- малогабаритного передатчика и стационарного приемника. Микрофон чаще всего используют динамический катушечный или электретиый. Передатчик либо совмещают в одном корпусе с микрофоном, либо выполняют карманного типа. Он излучает энергию радиочастот в УКВ диапазоне на одной из фиксированных частот, определяемой соответствующим кварцем. Ра- Радиоприемник принимает сигнал, преобразует его в низкочастотную область, затем этот сиг- сигнал через микшерный пульт подаётся дальше в тракт и параллельно — иа акустический контрольный агрегат для прослушивания. Вследствие влияния дополнительных преобра- преобразований в системе «передатчик — эфир — — приемник» качественные параметры радио- радиомикрофона уступают параметрам обычного микрофона. Для приема речи в условиях окружающего шума применяют ларингофоны.. Эти приборы воспринимают механические колебания горта- гортани, возникающие при речеобразовании. Для этого ларингофоны (обычно пара) прижимают- прижимаются к шее в области гортани. По принципу пре- преобразования ранее прнменялнсь угольные ла- ларингофоны, а в настоящее время — электро- электромагнитные. Отличие их от соответствующих микрофонов в том, что в них нет диафрагм, на которые воздействуют звуковое давление, а подвижный элемент (якорь) вследствие инер- инерции перемещается относительно корпуса ко- колеблющегося в такт с колебанием гортани, к которой он прилегает. Из вышеприведенных выражений для чув- чувствительности различных типов микрофонов можно определить, каким параметром должна управляться механоэлектрическая система микрофона, чтобы получить равномерную час- частотную характеристику по давлению, т. е. без учета влияния дифракции и резонанса уг- углубления перед диафрагмой. Эти требования обобщены в табл. 5.2 для микрофонов давле- Рис. 5.9. Характеристики направленности сте- стереофонических микрофонов ния и в табл. 5.3 для микрофонов градиента давления. Существенное влияние на частотную харак- характеристику микрофона оказывает включение его в электрическую цепь. Так, при работе микрофона с емкостным внутренним сопро- сопротивлением Zj = 1/(оС (конденсаторного, элект- ретного, пьезоэлектрического) на актив- активное сопротивление нагрузки падение напря- напряжения U на последнем связано с ЭДС е, развиваемой микрофоном, выражением U = — efyi+l/itoCR)*, а соответствующий спад частотной характеристики на нижних часто- частотах N = 10 lg [1 + 1/(©С/?J], который пред- представлен на рис. 5.10 графически. Коэффициент в виде произведения частоты / в герцах, ем- емкости микрофона С в пикофарадах и сопротив- сопротивления нагрузки RH в омах показан на рис. 5.10 с учетом множителя 10~10. Пример. Пусть требуется узнать, какой должно быть сопротивление нагрузки для кон- конденсаторного микрофона емкостью 200 пФ, чтобы на частоте 35 Гц спад чувствительности по сравнению с высшими частотами не превы- превышал 8дБ. Восстанавливая абсциссу из точки Таблица 5.2. Требования к микрофонам давления Принцип преобразования Параметр, поддерживаемый постоянным Управляющий параметр Расположение резонансной частоты относительно основно- основного диапазона УГОЛЬНЫЙ Смещение Упругость Выше Электро- магнит- магнитный Электро- динами- динамический Скорость Активное сопро- сопротивление Ниже Конден- Конденсаторный (элект- ретный) Пьезо- электри- электрический Транзи- Транзисторный Смещение Упругость . Выше 71
Таблица 5.3. Требования к микрофонам градиента давления Принцип преобразования Электро- Электромагнитный Электроди- Электродинамический Конденса- Конденсаторный Пьезоэлект- Пьезоэлектрический Транзистор- Транзисторный Параметр, поддерживаемый постоянным Управляющий параметр Расположение резонансной ча- частоты по отношению к основ- основному диапазону Скорость Масса Ниже Смещение Активное сопротивление Ниже на оси ординат, соответствующей 8 дБ, до пере- пересечения с кривой, отсчитываем на оси абсцисс 7-Ю10 fCR = 7- 10i«, откуда R - ^ ш = 107 Ом, что и является искомой величиной. В некоторых случаях, например при прие- приеме речи, получение такого спада частотной ха- характеристики в области нижних частот жела- желательно. Тогда его осуществляют в конденсатор- конденсаторных микрофонах путем подбора сопротивле- сопротивления нагрузки по приведенной выше формуле и графику. В динамических же .микрофонах указанный спад частотной характеристики получают путем шунтирования контуром, об- образованным параллельным соединением ин- индуктивности и активного сопротивления. Этот шунт отключается, а следовательно, ис- исчезает н спад частотной характеристики в об- области нижних частот при переходе на прием музыки. Получающиеся спады на частоте о для мик- микрофона с внутренним сопротивлением Ri при шунтировании индуктивностью L и сопротив- сопротивлением R Это соотношение справедливо, когда /?н > > Rt и RH > R, что на практике имеет место в большинстве случаев. N.AB и -4 -8 -12 -16 "?4 / 1 А 12 5 10 20 50100 Рис. 5.Ю. Зависимость снижения уровня на- напряжения на нагрузке конденсаторного микро- микрофона от произведения fCRn 5.3. НАПРАВЛЕННЫЕ СВОЙСТВА МИКРОФОНОВ Для суждения о направленных свойствах микрофонов, кроме самих характеристик на- направленности, чаще всего применяют такие параметры, как коэффициент направленности Q и отношение коэффициентов направленности в передней и задней полусферах Йор/Йт= = йф/т- Эти параметры определяют для мик- микрофонов, направленность которых симметрич- симметрична относительно оси, как Q = -— \ /?2(в) sin6d6 J /?2F)sin6de вел. I— === ' *Ф/Т Я/2 J /?2F)sin6d6 о где R F) — отношение чувствительности микрофона Eq под углом 6 к его оси, к осевой чувствительности Ео. Эти параметры очень полезны для оценки свойства микрофона. Так, дальность действия микрофона с коэффициен- коэффициентом направленности Q и ~[/п раз больше, чем у ненаправленного (при условия распределе- распределения источников равноинтенсивных помех во- вокруг микрофона). Иными словами, при одном и том же отношении сигнал-помеха на выходе микрофона направленный микрофон может на- находиться в i/fT раз дальше от источника по сравнению с ненаправленным. Параметр &ф/т полезен для оценки подав- подавления помех от источников, расположенных сзади микрофона (например, в зале), по срав- сравнению с источниками, расположенными перед микрофоном (например, исполнители на эст- эстраде). Характеристика направленности R F) микрофонов может быть представлена выраже- выражением, являющимся в общем случае уравнени- уравнением улитки Паскаля: V 1. Ccos6), 72
где д — параметр, определяющий форму ха- характеристики направленности, являющийся отношением чувствительности приемника гра- градиента давления и чувствительности приемни- приемника давления. Форму характеристики направ- направленности односторонненаправленных микро- микрофонов можно выразить и через параметр у ~ = С/A + С): при С — 0 у — 0 (рис. 5.11, ^--окруж- ^--окружность; при С — 1 у — 0,5 (рис. 5.11,6) — кар- кардиоида; при С =1,7 7=0,63 (рис. 5.11, в) — суперкардиоида; при С — 3, у — 0,75 (рис. 5.11, г) — ги- гиперкардиоида; при С ->¦ оо (рис. 5.11, д) получается дву- двусторонняя направленность (косинусоида, вось- восьмерка). Для микрофонов с непостоянной направ- направленностью 3A+СJ 3 + С2 A—v)H-Y2/3 ' Q = Зависимость й и Q^ ,T от y представлена на рис. 5.11, е соответственно кривыми / и 2. Пример. Чтобы определить параметры для гиперкардиоиды (С = 3, y ^ 0,75), восста- восстанавливаем ординату из точки на оси абсцисс Y = 0,75 и отсчитываем на оси ординат Й=4 F дБ) и &ф,т = 6,8 (8дБ). Микрофон с такой характеристикой будет иметь по сравнению с ненаправленным микрофоном при одном и том же соотношении сигнал-помеха на выходе даль- дальность приема в поле равномерно распределен- распределенных в пространстве источников помех в "\/4, т. е. в 2 раза большую. В этих же условиях он будет подавлять помехи, приходящие от источ- источников, расположенных в задней полусфере, по сравнению с ненаправленным микрофо- микрофоном на 10 lg 6,8 « 8дБ. Кроме описанных выше параметров, отоб- отображающих направленность микрофона, боль- большим распространением пользуется такой па- параметр, как выражаемый в децибелах перепад чувствительности фронт-тыл. Как уже упоминалось выше, сила, дейст- действующая на диафрагму микрофона градиента давления, вблизи от источника, т.е. в поле сферической волны, не прямо пропорциональ- пропорциональна частоте, как это имеет* место при нахожде- нахождении этого микрофона в поле плоской волны. Но комбинированный (односторонненаправ- ленный), в частности кардиоидный, микрофон всегда может быть представлен как сочетание микрофона давления и микрофона градиента давления, имеющих равные чувствительно- чувствительности. Поэтому и частотная характеристика и ха- характеристика направленности для кардиоид- ныХ микрофонов этого типа меняются с удале- удалением от источника, как это показано на Рис. 5.11. Характеристики направленности комбинированных микрофонов рис. 5.12, где приведены зависимости отноше- отношения чувствительности кардиоидного микрофо- микрофона при разных углах 6 между осью микрофона и направлением прихода звука и разных рас- расстояниях до источника звука к его чувстви- чувствительности при 6 = 0° и г -»- оо от kr = 2п/%, Параметр семейства кривых — угол 6. Для определения kr в зависимости от расстояния и частоты служит нижняя часть графика. Пример. Пусть требуется определить, на- насколько чувствительность кардиондного мик- микрофона под углом 135° на расстоянии от ис- источника 0,5 м на частоте 50 Гц меняется по от- отношению к его осевой чувствительности. Из рис. 5.12 находим, что расстоянию 0,5 м при частоте 50 Гц соответствует kr = 0,5. На пере- пересечении кривой 135° и ординаты 0,5 находим значение — 2,8 дБ. На столько чувствитель- чувствительность под углом 135° на расстоянии 0,5 м бу- будет отличаться от осевой чувствительности микрофона при нахождении последнего на бесконечном расстоянии от источника. На расстоянии же, равном 0,5 м, его осевая чув- чувствительность F = 0°, кг = 0,5) будет отли- отличаться от чувствительности на бесконечности на+ 3,0 дБ. Таким образом, чувствительность под углом 135° для расстояния 0,5 м на часто- частоте 50 Гц отличается от чувствительности этого А620 о -10 ~20 ?* •Г-2м 1м 3,25м ч 2 .&.' 7 j Г 10 10 50 100 200 ЬагЪ 10 201 Jo idp 10Q 5bp 1000 200frU> "'" * 1QQ 200 -J— '--- --— --—Га 50 100 100 500 10002000 5000100 Рис. 5.12. Зависимость отношения' чуврг^И' тельности кард нон дного микрофона от угла прихода звука 73
д Рв a) S) в) г) Рис. 5.13. Векторные диаграммы звуковых давлений же микрофона на оси (в = 0°) на +3,0 — — 2,8 = 0,2 дБ, т. е. чувствительности для этих углов практически одинаковы. Для кар- диоидного же микрофона на бесконечно боль- большом расстоянии от источника эти чувствитель- чувствительности будут различаться иа 16,5 дБ. Примечательно, что для угла 90° чувстви- чувствительность не меняется на любом расстоянии, что объясняется тем, что составляющая силы, обусловленной градиентом давления, будет для этого направления равна нулю. Получить необходимую форму характе- характеристики направленности микрофона можно путем изменения его конструкции. Сферическую характеристику направлен- направленности, как было показано выше, имеют мик- микрофоны давления, но только на низких часто- частотах. Для получения круговой характеристики и на высших частотах, хотя бы в горизонталь- горизонтальной плоскости, микрофон иногда располагают так, чтобы его ось была вертикальной. Для получения двусторонней («восьмерочной») направленности применяют в основном микро- микрофоны градиента давления (например, ленточ- ленточные), т. е. такие, где диафрагма открыта воз- воздействию звукового давления с обеих сторон. Для получения односторонней направленно- направленности раньше пользовались соединенными по- последовательно микрофоном давления н микро- микрофоном градиента давления, конструктивно заключенными в один корпус. В настоящее время одностороннюю направленность полу- получают в одном микрофоне, принцип действия которого заключается в том, что ои имеет два пространственно разнесенных входа для воз- воздействия звукового давления с расстоянием между ними d и что сдвиг фазы звукового дав- ления внутри микрофона делается равным сдвигу фазы звукового давления на пути от первого входа (у диафрагмы) до второго (см. рнс. 5.6). Это может' быть пояснено вектор- векторной диаграммой, приведенной на рис. 5.13. Здесь рА — звуковое давление, действующее на диафрагму. От его фазы на угол <р отстает фаза звукового давления рв у второго входа. Внутри микрофона звуковое давление претер- претерпевает такой же сдвиг фазы иа угол ф и на обратную сторону диафрагмы, в результате действует звуковое давление рс. Тогда резуль- результирующее давление, приводящее диафрагму в колебания, будет рг. Если же звук приходит со стороны второго входа; то звуковые давлет ния рА и рс будут одинаково сдвинуты по фазе относительно звукового давления р^ и раз- разность рА и рс будет равна нулю. Вследствие этого диафрагма останется в покое и выходное напряжение микрофона будет равно нулю. Не- Необходимые сдвиги фаз и соотношения парамет- параметров элементов внутренней фазосдвигающей акустико-механической системы микрофона получаются при рассмотрении действия его схемы-аналогии, которая в упрощенном виде изображена на рнс. 5.13, г, где zx — механи- механическое сопротивление подвижной системы, z2— механическое сопротивление второго вхо- входа, z3 — механическое сопротивление внут- внутренней фазосдвигающей акустико-механиче- акустико-механической системы микрофона. Условие односторонней направленности микрофона, представляемого такой схемой, выполняется, если zl/za = je)(d/c). Это условие обычно бывает трудно соблюсти во всем диапа- диапазоне частот. Поэтому в реальных конструкци- конструкциях делают несколько «вторых» входов, каж- каждый для своей области частот так, чтобы рас- расстояние уменьшалось по мере повышения чао тоты. Для оперативного изменения направлен- направленности микрофонов у некоторых их типов воз- возможно дистанционное управление ею путем электрического переключения выходов состав- составляющих микрофонов с различными характери- характеристиками направленности. Так, если имеются два одинаковых кардноидных микрофона, аку- акустические оси которых направлены противо- противоположно, то их характеристики направленно- направленности могут быть представлены как и e2 = Синфазное последовательное электрическое соединение этих микрофонов дает суммарную ЭДС е = ех -f- е2 —,?0, что соответствует от- отсутствию направленности (круговая или сфе- сферическая характеристика). Встречное по- последовательное включение дает суммарную ЭДС -ё-^ «1 — et = e0 cos 8, т. е. двусторон- двустороннюю (восьмерочную) характеристику. Таким образом, с помощью переключателя, находящегося на каком-то расстоянии от та- такого сдвоенного микрофона, можно получить следующие характеристики направленности: кардиоида, обращенная в одну сторону; кар- 74
Диоида, обращенная в другую сторону; кру- круговая; косинусоидальная. Кроме того, приме- применяя потенциометрическое включение микрофо- микрофонов, т. е. складывая полное напряжение от одного микрофона с долей напряжения от дру- другого микрофона, можно получить еще ряд про- промежуточных характеристик. Остронаправленные микрофоны («пушки») современной конструкции обычно состоят из микрофона, к которому примыкает трубка с отверстиями подлине (рис. 5.14) или со сплош- сплошной осевой прорезью. Отверстия или прорезь обычно закрываются тканью. Если звук приходит по оси, то пути его рас- распространения по трубке и через отверстия оди- одинаковы и составляющие звукового давления от прошедших через трубку колебаний синфаз- ны и, следовательно, сумма их, воздействую- воздействующая на диафрагму, максимальна. Если же звук приходит под углом 6 к оси, труб- трубки, то разность пути звука по всей трубке и пути от входа в трубку до входа в отверстие, находящееся на расстоянии d от входа в труб- трубку, обусловит сдвиг фаз, определяемый как d A — cos 8) (о/С). В свою очередь, это созда- создает сдвиг фаз различной величины между дву- двумя колебаниями, пришедшими через разные отверстия, что приводит, следовательно, к уменьшению результирующего давления, дей- действующего на диафрагму. ( Следует отметить, что чем большую остро- остроту направленности нужно получить, тем боль- больше должна быть длина звукоприемного эле- элемента (трубки), так как острота направленно- направленности увеличивается с увеличением Ilk — отно- отношения длины трубки к длине волны принимае- принимаемого звука. Принципиальное значение направленные свойства микрофонов имеют в стереофониче- стереофонических системах. Здесь применяют три способа приема. Способ АВ, при котором используют два пространственно разнесенных микрофона (правый и левый), напряжения от которых по- подают в правый и левый каналы стереофониче- стереофонической системы. Способ XY, при котором микрофоны про- пространственно совмещены (обычно один над другим) и образуют единую конструкцию. Од- Однако при этом акустические оси микрофонов, как правило, кардиоидных, развернуты так, что угол между ними составляет примерно 90°. Такое расположение в какой-то степени ими- имитирует прием звука ушами, максимумы ха- характеристик направленности которых также развернуты относительно друг друга. Как и в системе АВ, выходные напряжения микрофо- микрофонов подаются на входы правого и левого кана- каналов стереофонической системы. Способ MS, при котором применяют также два микрофона: один — ненаправленный, другой — с косинусоидальной характеристи- характеристикой направленности, минимум которой на- направлен на источник звука. Они конструктив- конструктивно совмещены между собой, как и при способе ХУ. Выходные напряжения этих микрофонов с помощью суммарно-разностного преобразо- преобразователя складываются и вычитаются.' Сумма напряжений подается на вход одного из кана- каналов стереофонической системы (например, правого), разность этих напряжений — на вход другого канала (левого). Таким образом, для целей стереофонии применяют микрофоны с известными характеристиками направленно- направленности, но имеющие специальную конструкцию расположения и крепления их пары. В последние годы появился еще один спо- способ применения микрофонов в стереофонии, так называемой бифонический,.основанный на использовании искусственной головы. В нем малые ненаправленные микрофоны устанавли- устанавливают в макете искусственной головы на местах, соответствующих входам в слуховые каналы правого и левого ушей. Таким образом хоро- хорошо имитируются условия приема звука двумя ушами и, в частности, направленность послед- последних. Выходные напряжения этих микрофонов подаются на выходы правого и левого каналов стереофонической системы. Серьезной задачей, решение которой имеет важное практическое значение, является обес- обеспечение шумозащищенности микрофона, что позволяет ему при нахождении в поле шумов выделять на их фоне полезный сигнал. Шумо- защищенность микрофона достигается разными способами. Простейший из них — размещение микрофона в непосредственной близости от источника полезного сигнала. При этом ин- интенсивность от последнего увеличивается и, таким образом, повышается отношение сиг- сигнал-помеха, что позволяет лучше выделять по- полезный сигнал. Если полезный сигнал и помеха имеют различающиеся между собой по ширине амплитудно-частотные спектры, то шумозащи- щенность может быть достигнута путем огра- ограничения частотного диапазона микрофона гра- границами спектра сигнала или же наиболее важ- важной частью этого спектра. Этот метод неприме- неприменим, если спектр сигнала шире спектра помехи или равен ему по ширине. Для далеких от микрофона источников по- полезного сигнала и пространственно распреде- распределенных источников помех эффективным спосо- способом шумозащищенности является применение остронаправленных микрофонов, ориентиро- ориентированных на источник полезного сигнала. В слу- случае же единичных дискретных источников по- помех удовлетворительные результаты получа- получаются при применении двусторонних или одно- сторонненаправленных микрофонов, ориенти- ориентированных направлением минимальной чувст- чувствительности на источник помех. Наиболее трудная задача — обеспечение шумозащищен- шумозащищенности микрофонов, работающих в условиях t Рис. 5.14. К пояснению принципа действия острова правленного микрофона 75
Частоты, соо/пдетствующае разным значениям г г~2,5см 25 50 W0 200 250 500 WOO 2000 2500 Г=1,25см 50 /00 200 400 500 7000 2000 4000 5000 г-0,62см 100 200 400 8001000 2000 4000 800010000 35 30 Рис. 5.15. Зависимость шумо- защищенности от коэффициен- коэффициента kr 1/гг 2г 25 20 15 10 V,01 0,02 0,04 0,08 0,1 0,2 0,4 0,8 кг близко расположенных источников помех с ши- широким частотным спектром, создающих у мик- микрофонов высокий уровень шумов. Здесь эф- эффективным является использование микрофо- микрофонов градиента давления, размещаемых как можно ближе к источнику полезного сигнала (например, ко рту при приеме речи), так как в поле его сферической волны источники помех будут восприниматься с меньшей чувствитель- чувствительностью, чем полезный сигнал близко располо- расположенного источника. Шумозащищенность (в децибелах) таких микрофонов в зависимости от произведения kr (где г— расстояние от источника полезного сигнала до средней плоскости микрофона', а к— волновое число) и от разности хода d между передней и задней Сторонами подвижной сис- системы г yd) -V- 2r cos kd 2A— cos kd) -}- 5. Добавление 5 дБ в приведенной формуле ото- отображает снижение уровня помех благодаря косинусоидальной направленности микрофона. Величина N3 может быть определена из рис. 5.15. Пример. Пусть требуется найти на частоте 500 Гц шумозащищенность микрофона, в ко- котором разность хода между передней и задней «сторонами подвижной системы составляет 2,5 см, расположенного на расстоянии 1,25 см от полезного источника. В данном случае d— = 2г. По таблице, помещенной вверху рисун- рисунка, видно, что растоянию 1,25 см и частоте 500 Гц соответствует kr ==0,1. Восстанавливая ординату в этой точке оси абсцисс до пересече- пересечения с кривой, имеющей отметку d — 2г, отсчи- отсчитываем по оси ординат 16 дБ, что и является искомой величиной. 5.4. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ МИКРОФОНЫ Электродинамические микрофоны (кату- (катушечные и ленточные) могут быть выполнены практически с любой характеристикой направ- направленности. Однако в СССР и за рубежом приме- применяют в основном электродинамические кардио- идиые микрофоны. Находят применение также ненаправленные микрофоны этого типа. Из катушечных микрофонов большое рас- распространение в нашей стране получили микро- микрофоны МД-44, МД-45, МД-63, МД-64, МД-66, МД-71, МД-75, МД-80, МД-82 и МД-86 оте- отечественного производства MD-210, MD-220— венгерского,' AMD-460 — чехословацкого, F-115 — японского и др. Рассмотрим особен- особенности и основные характеристики некоторых из них. Микрофон МД-63. Это ненаправленный ди- динамический катушечный микрофон, внешний вид которого приведен на рис. 5.16, а. Внутри корпуса (рис. 5.16, б), передняя сторона кото- которого имеет решетку с отверстиями для прохода звука, находится капсюль. Зазор капсюля сни- снизу закрыт кольцом с отверстиями, заклеенными шелком для создания акустического сопротив- сопротивления. Сверху диафрагмы расположена на- накладка, повторяющая по профилю форму цент- центральной части диафрагмы и служащая для по- повышения чувствительности на высших часто- частотах. Объем воздуха внутри магнитной системы капсюля соединен посредством отверстий, так- также заклеенных шелком, с объемом воздуха внутри кожуха. Такую же в основном конст- конструкцию имеют и другие динамические микро- микрофоны. Поэтому в дальнейшем мы на этих де- деталях конструкции останавливаться не будем. На рис. 5.16, в приведена также аналого- аналоговая электрическая схема микрофона, где щ и гх, /п2 и г2, т3 и г3, /п4 и г4, тъ и г5, me и гв— массы и активные сопротивления воздуха со- соответственно в отверстиях решетки, в отвер- отверстиях накладки, в слое между накладкой и диа- диафрагмой, зазоре между катушкой и полюсным наконечником, а также в отверстиях центри- центрирующего кольца, элементе, акустического со- сопротивления (шелк), в отверстиях магнито- провода, в трубке, предназначенной для- по- повышения чувствительности на низких часто- частотах; т0, с0, г0 — масса, гибкость закрепления и активное сопротивление подвижной системы; сх, <*2, сз и С4 — гибкости объемов воздуха со- соответственно между решеткой и накладкой, под диафрагмой, внутри магнитной системы, 76
Рис. 5.16. Микрофон МД-63 Рнс. 5.17. Микрофон МД-52А 77
Рис. 5.18. Стереофонический МД-52Б-СН микрофон внутри корпуса; Sx — площадь отверстий в решетке. Микрофон МД-63 работает в диапазоне час- частот 60 ... 15 000 Гц. Неравномерность частот- частотной характеристики составляет 20 дБ. Внут-. реннее сопротивление микрофона 250 Ом. Чув- Чувствительность в свободном поле в режиме холостого хода на частоте 1 кГц не менее 1,1 мВ/Па. Выполнен в петличном исполнении. Диаметр микрофона 22 мм, длина 68 мм, мас- масса 125 г. Микрофон МД-52А. Это кардиоидный мик- микрофон профессионального применения. На рис. 5.17 приведены его внешний вид (а), кон- конструкция (б) и аналоговая электрическая схе- схема (в), где: тх и rlt m2 и т%, гп3 и r3, m4 н г4, Щ и г6, тв и гв, т7 и г7, т8 иг,, щ и г, — массы и активные сопротивления воздуха соот- соответственно в решетке /, слое воздуха между накладкой и диафрагмой 3, в элементе акусти- акустического сопротивления 8, в элементе акусти- акустического сопротивления 2, в трубке 9, в отвер- отверстиях трубки 9, в элементе акустического со- сопротивления 14, в отверстии корпуса //; сх. с%, с3, с4, сь, сь — гибюрсти воздуха соответст- соответственно в объеме между решеткой и накладкой, между накладкой и диафрагмой, под диафраг- диафрагмой, внутри магнитной цепи 7, во внутреннем корпусе 12, между внешним и внутренним кор- корпусами; т0, с0 и г0 — масса, гибкость закреп- закрепления н активное сопротивление подвижной системы; Sx и Su — площади отверстий соот- соответственно в решетке и в корпусе. Микрофон имеет те же основные элементы, что и вышеописанный микрофон. Отличием же его является наличие второго входа в виде от- отверстия в корпусе, находящегося на расстоя- расстоянии d от первого входа, т. е, от центра диафраг- диафрагмы. На этом расстоянии получается сдвиг фа- фазы звукового давления, равный 0) — d cos в, с где в — угол между осью микрофона и направ- направлением прихода звука. Масса и активное сопро- сопротивление воздуха в этом отверстии вместе с па- параметрами всех элементов конструкции микро- микрофона от отверстия второго входа до заданной стороны диафрагмы образуют внутреннюю фазосдвигающую систему, обеспечивающую получение кардиоидной характеристики на- направленности. Принципиально такую же конструкцию, как и микрофон МД-52А, имеет микрофон МД-52Б. Отличие лишь в применении для корпуса пластмассы вместо дюралюминия и переносе разъема, расположённого на корпусе микрофона МД-52А, на конец кабеля, заде- заделываемого в корпусе микрофона МД-52Б. И то и другое имеет цель удешевить микрофон. Микрофон МД-52А работает в диапазоне частот 50 ...16 000 Гц, имеет неравномерность Рис. 5.19. Микрофон МД-66 78
/»*% =f( б) Рис. 5.20. Микрофон МД-200 частотной характеристики 12 дБ, внутрен- внутреннее сопротивление 250 Ом, чувствительность холостого хода 1,2 мВ/Па на частоте 1 кГц. У микрофона МД-52Б те же параметры, за ис- исключением верхней граничной частоты, кото- которая составляет 15 000 Гц. Для стереофонического приема по систе- системе АВ или XY используют микрофон МД-52Б-СН, представляющий собой единую конструкцию из двух микрофонов МД-52Б (рис. 5.18), которая позволяет устанавливать их на расстоянии 0,4 м друг от друга либо сов- совмещать, чтобы была возможность разворота осей на угол от 0 до 180°. Микрофон МД-66 и МД-200. Речевой мик- микрофон МД-66 и микрофон для любительской звукозаписи МД-200 имеют аналогичные, но более простые конструкции и соответственно аналоговые электрические схемы. Внешний вид, конструкция и электричес- электрическая эквивалентная схема микрофона МД-66 приведены на рис. 5.19. Этот речевой кардио- идный микрофон для звукозаписи и звукоуси- звукоусиления работает в диапазоне частот 100... ...10 000 Гц с неравномерностью частотной ха- характеристики 20 дБ. Внутреннее его сопротив- сопротивление 250 Ом, чувствительность холостого хода 2 мВ/Па на частоте 1 кГц. Аналогичные параметры имеет микрофон МД-200, внешний вид, конструкция и элек- электрическая эквивалентная схема которого при- приведены на рис. 5.20. Микрофон МД-78. Предназначен для эстрад- эстрадных исполнителей При использовании как на напольной стойке, так н в руке на близком расстоянии от исполнителя. Может быть при- применен также для записи, передачи и звуко- звукоусиления музыки и речи в телевизионных н радиовещательных студиях, театрах и кон- концертных залах. Типовая частотная характерис- характеристика микрофона приведена на рис. 5.21, а, а его внешний вид — на рис. 5.21,6. Микрофон имеет следующие технические характеристики: номинальный диапазон час- частот 50...15 000 Гц; чувствительность холосто- холостого хода на частоте 1 кГц не менее 2 мВ/Па; отклонение частотной характеристики чувст- чувствительности от типовой в номинальном диапа- диапазоне частот не более ±2,5 дБ; возможность коррекции частотной характеристики на НЧ до 12 дБ на частоте 50 Гц; средний перепад уровней чуствительности фронт-тыл в номи- номинальном днапазоне частот ие менее 12 дБ, наи- наименьшее значение 6 дБ; модуль полного внутреннего электрического сопротивления -5 -10 -15 -20 t / / / у/ / '7/ — — — В) i \ л 20 50 100 200 500 10* 210* 510* 104 f/ц со Рис. 5.21. Микрофон МД-78 79
Рис. 5.22. Микрофон МД-80 и МД-80А 150 Ом на частоте 1 кГц; масса микрофона не более 220 г. Этот микрофон отличается от вышеописан- вышеописанных кардиоидиых микрофонов тем, что имеет не один второй вход, а два, находящихся со- соответственно на расстояниях йг и &% от первого входа, т. е. от центра диафрагмы. На низких частотах разность фаз звуковых давлений, действующих иа первый вход и на один из вторых входов, определяется сравни- сравнительно большим расстоянием &х. На высоких частотах инерционное сопротивление ют ста- становится очень большим и первый вход «запи- «запирается». При этом эффективным становится второй вход, удаленный от первого на срав- сравнительно небольшое расстояние d2. Второй вход осуществляется через звукопроницае- звукопроницаемые стенки, имеющие определенную массу и активное сопротивление воздуха. Разные пути dx и &% для низкочастотных и высокочастотных колебаний и соответственно различные сдвиги фаз для них, получающиеся внутри микрофона, приводят к тому, что для каждого диапазона частот лучше удовлетво- удовлетворяются условия односторонней направленнос- направленности. Однако, строго говоря, нельзя говорить, что входы dx и dt действуют каждый только в своем диапазоне частот. Естественно, что прак- практически высокочастотный вход dt будет в какой-то степени шунтировать низкочастотный вход dx на низких частотах. Это приведет к некоторому спаду частотной характеристики в области низких частот, что не слишком ухуд- ухудшит режим работы микрофона из-за его близ- близкого расположения от источника звука вбли- вблизи рта. В результате форма характеристики направленности изменяется с частотой от ги- перкардноиды на низких частотах к кардиои- кардиоиде на высших. Вместе с тем осевая частотная характеристика этого микрофона сильно зави- зависит от расстояния, На котором микрофон на- находится от источника. В микрофоне МД-78 предусмотрены не- неподвижная антифонная катушка АК, вклю- включенная противофазно основной звуковой ка- катушке ЗК (для подавления индуктивных помех), н параллельный контур из индуктив- индуктивности 75 мГн и сопротивления 1,2 кОм, слу- служащий для снижения чувствительности на низких частотах. Включение такого контура бывает полезным при приеме речи, так как устраняется так называемое «бубнение», по- повышается разборчивость речи и уменьшается опасность возникновения обратной акустичес- акустической связи при звукоусилении в помещениях. Микрофон имеет ветрозащиту» а его капсюль виброзащищен. Микрофоны МД-80 и МД-80А. Предназна- Предназначены для записи, передачи н звукоусиления речи в любых помещениях н на открытом про- пространстве, а также для диспетчерской и слу- служебной связи (рис. 5.22). Технические характеристики: номиналь- номинальный диапазон частот 50...12 000 Гц; чувстви- чувствительность холостого хода на частоте 1 кГц не менее 2 мВ/Па; неравномерность типовой час- частотной характеристики чувствительности в но- номинальном диапазоне частот не более 22 дБ, в диапазоне 100...8000 Гц не более 15 дБ; от- отклонение частотной характеристики от типо- типовой на любой частоте номинального диапазона не более ±2,5 дБ; перепад чувствительности «фронт-тыл» на любой рабочей частоте не ме- менее 6 дБ, средний перепад чувствительности «фронт-тыл» в номинальном диапазоне частот не менее 12 дБ; уровень эквивалентного зву- звукового давления относительно давления 2 х X Ю-6 Па, обусловленного воздействием на микрофон переменного магнитного поля на- напряженностью 0,08 А/м, не более 12 дБ. Микрофон МД-86. Это — широкополос- широкополосный двух капсюльный кардиоидный микрофон, предназначен для записи музыки и речи в сту- студнях радио и телевидения, театрах, концерт- концертных залах, учреждениях. Номинальный диа- диапазон частот 40... 15 000 Гц, чувствительность по свободному полю 1,2 мВ/Па на частоте 1 кГц, средняя разница уровней чувствитель- чувствительности фронт-тыл в диапазоне частот 250... .. .5000 Гц не менее 15 дБ, модуль полного элек- электрического сопротивления 150 Ом на частоте 1 кГц. Корректор обеспечивает спад частот- S? ? О). го ю f /* Л 20 50 100 Z00 500 1000 2000 500010000, v б) Рис. 5.23. Микрофон МД-86 80
ной характеристики микрофона на частоте^ 50 Гц — 7 дБ или —12 дБ в зависимости от положения переключателя. Габаритные разме- размеры микрофона, мм; диаметр 24, длина 206. Масса микрофона 350 г. На рис. 5.23 приведены внешний вид микро- микрофона (а), его электрическая принципиальная схема включения (б) и частотные характерис- характеристики чувствительности для углов приема 0, 90 и 180°. Микрофон AMD-460. В комплект AMD-460 фирмы «Тесла-Электроакустика» (ЧССР) вхо- входит динамический микрофон AMD-410N, дер- держатель микрофона AYM-305 и микрофонный кабель AYM-325. Этот микрофон имеет карди- оидную характеристику направленности, низ- низкое выходное сопротивление, симметричный выход. Микрофон можно подключать ко всем типам транзисторных или ламповых усилите- усилителей, магнитофонов и других студийных уст- устройств. Микрофон AMD-460 может быть использо- использован для работы в профессиональных и местных студиях, для записи программ на магнитофо- магнитофоны. Но основное назначение его — это исполь- использование для музыкальных коллективов и озву- озвучения залов или открытых пространств при трансляции речи, пения, а в случае не- необходимости — и музыкальных программ. Хорошие характеристики направленности микрофона значительно уменьшают опасность возникновения акустических завязок возбуж- возбуждения в тех залах, где работают с большими уровнями сигнала. На рис. 5.24 приведены внешний вид мик- микрофона (а), его частотные характеристики по фронту и по тылу (б) и характеристики на- направленности (в). Номинальный диапазон частот Микрофона AMD-460 составляет 50...18 000 Гц, нерав- неравномерность частотной характеристики 14 дБ, модуль выходного электрического сопротив- сопротивления 200 Ом, чувствительность в свободном поле 1,2 мВ/Па на частоте 1 кГц. К микрофону может быть подключен уд- удлинительный кабель, длина которого не долж- должна превышать 100 м. Микрофон D-202. Этот микрофон фирмы A KG (Австрия) основан на применении двух 10 0 ¦1П 20 &06 phd/n f (\ \ \ u Гц 50 100 200 /кГц а) в) Рис. 5.24. Микрофон AMD-460 микрофонных капсюлей (низкочастотного и высокочастотного), включаемых через элек- электрический разделительный фильтр с частотой раздела 500 Гц. Устройство микрофона показано на рис. 5.25, где / — высокочастотный капсюль; 2 — антифонная катушка; 3 — диафрагма и катушка низкочастотного капсюля; 4 — за- защитная крышка и установочная плата высоко- высокочастотного капсюля; 5 — амортизация; 6 — крышка из сплавленных шариков; 7 — дер- держатель крышки; 8 — низкочастотный кап- капсюль; 9 — корпус; 10 — инерционная трубка; // — разделительный фильтр; 12 — выклю- выключатель; 13 — корректор низких частот; 14 — звуковой вход с противоветровым экраном. На диафрагмы каждого из капсюлей в своей области частот воздействует звуковое давление, падающее на переднюю сторону не- непосредственно и на заднюю — через отверстия в магнитной цепи. В результате микрофон имеет широкую частотную характеристику Рис. 5.25. Микрофон D-202 81
Рис. 5.26.х Микрофон MD-441 C0...15 000 Гц), почти совершенно равно- равномерную в диапазоне 50. .10 000 Гц, и на- направленность, мало меняющуюся с частотой, по крайней мере до 8 000 Гц. К. особенностям этого микрофона следует отнести применение антифонной катушки, пе- переключателя «включено — выключено», пере- реключателя для получения спада низких частот при приеме речи, фильтра для умень- уменьшения помех ветра. Решение, при котором для расширения час- частотного диапазоне применяют два капсюля — низкочастотный и высокочастотный, хотя и достигает своей цели, как в микрофоне D-202, но имеет и свои недостатки. Они заключаются в том, что звуковое давление воздействует несин- фазно на подвижные системы обоих капсюлей вследствие того, что последние разнесены про- пространственно, что существенно влияет на ха- характеристику направленности. Микрофон MDr441. В конструкции этого микрофона фирмы «Зеннхайзер» (ФРГ) при- применено другое техническое решение (рис. 5.26). Как показано на рис. 5.26, б, к центральной части куполообразной диафрагмы примыкает с некоторым зазором 2, достаточным для того, чтобы подвижная система могла свободно ко- колебаться, рупор. Последний рассчитан так, чтобы усиливать звуковое давление /, дей- действующее на купол на частотах, начиная с 7 кГц, и таким образом компенсировать спад частотной характеристики, имеющий место в этой области частот, если не применять рупо- рупора. На низких частотах характеристика также достаточно равномерна, поскольку резонанс подвижной системы располагают на частоте ниже 100 Гц. Равномерность характеристики в области средних частот обеспечивается тща- тщательным взаимным подбором элементов акус- тико-механической системы, отображенной аналоговой электрической схемой (рис. 5.26, в). Описанная конструкция позволяет полу- получить по данным фирмы неравномерность ча- частотной характеристики, не превышающую 6 дБ в диапазоне 30...20 000 Гц. Фактически неравномерность в диапазоне 5О...1ООООГц достигает 15 дБ. Характеристика направлен- направленности имеет в широком диразоне частот при- примерно форму гиперкардиоиды. Из других специфических особенностей микрофона MD-441 имеет смысл отметить, прежде всего, устройства коррекции частотной характеристики в области высоких и низких частот. Задача коррекции в области высоких частот — подъем частотной характеристики в области выше 5 кГц на 5 дБ, что придает зву- звучанию «блеск» и «прозрачность». Это до- достигается включением контура по схеме, рис. 5.26, г. Задача коррекции в области низ- низких частот — снижение чувствительности с -20 20 5010020Q.500W 5000 100О Ю 100 Гц 4 кГц . 10 кГц 5) V 6) Рис. 5.27. Микрофон F-115 82
помощью схемы рис. 5.26, д. Действие ее при равных положениях переключателя показано на рис. 5.26, е. Специальные меры предприня- предприняты для предотвращения помех от ветра, дыха- дыхания и вибраций. Первое достигается с помо- помощью нескольких дисков из материала с малым акустическим сопротивлением, размещаемых параллельно друг другу перед диафрагмой. Защита от вибраций достигается всесторонней упругой подвеской микрофона. Микрофон. F-115 Этот микрофон фирмы «Сони» (Япония) является приемником дав- давления, т. е. у него круговая характеристика направленности на низких и средних часто- частотах. Диапазон звуковых частот 40...12 000 Гц, неравномерность частотной характеристики 10 дБ, модуль полного выходного сопротив- сопротивления 600 Ом, чувствительность по свободно- свободному полю 1 мВ/Па. На рис. 5.27 приведены внешний вид мик- микрофона (а), его частотные характеристики (б) и характеристики направленности (в). Микрофоны МЛ-19 и МЛ-51. Эти микро- микрофоны отечественного производяства являются ленточными. Устройство односторонненаправ- ленного ленточного микрофона МЛ-19 пока- показано на рис. 5.28, а, где 1,2 — постоянные магниты; 3,4 — полюсные наконечники; 5 — фланец; 6 — гофрированная алюминиевая ленточка длиной 25 мм и толщиной 2 мкм; 7 — экран; 8,9 — контакты ленточки; 10 — объем воздуха между магнитами; //, 12 — пластины из звукопроницаемого материала (пенопласта), образующие второй вход пло- площадью 52 для звукового давления; 13 — отверстие во фланце 5; 14 — лабиринт, за- заполненный звукопоглощающим материалом; 15, 16 — накладки; 17 — скоба, корректи- корректирующая частотную характеристику; 18 — от- отверстие во фланце, соединяющее объем 10 с 19 —отверстиями в корпусе площадью Sle через объем между ними. На рис. 5.28, б при- приведена аналоговая электрическая схема; с0, т0 и /¦„ — гибкость, масса и активное сопро- сопротивление ленточки; т, г — масса и активное сопротивление второго входа; сх, гх — гиб- гибкость и активное сопротивление воздуха в ла- лабиринте; т2, г.2 — масса и активное сопротив- сопротивление отверстия 18, сг — гибкость воздуха в отсеке лабиринта; т3, г3 — масса и активное сопротивление отверстия 19. Даже при тщательном подборе всех пара- параметров аналоговой схемы микрофона его чув- чувствительность из-за уменьшения эффективной площади ленточки спадает к высоким часто- частотам. Для компенсации этого перед ленточкой устанавливают дугообразную корректирую- корректирующую скобу. Здесь на высоких частотах уста- устанавливаются стоячие волны, длина которых меняется в соответствии с изменением рас- расстояния между ленточкой и разными частями скобы. Внешний вид микрофона МЛ-19 приведен на рис. 5.28, в. Номинальный диапазон этого ааааа ааааа ааааа аапаа ааааа ааааа ааааа ааааа МЛ-19 S) в) Рис. 5.28. Микрофоны МЛ-19 и МЛ-51 83
микрофона 50...18 000 Гц. Чувствительность в свободном поле 2 мВ/Па на частоте 1 кГц. Перепад чувствительности фронт-тыл не ме- менее 12 дБ. Модуль полного электрического сопротивления 250 Ом. На рис. 5.28, г приведен внешний вид лен- ленточного микрофона МЛ-51. Микрофон имеет косинусоидальную характеристику направлен- направленности. Номинальный диапазон частот 40... ... 16 000 Гц. Чувствительность в свободном поле 9,5 мВ/Па. Модуль полного электриче- электрического сопротивления 250 Ом. 5.5. КОНДЕНСАТОРНЫЕ МИКРОФОНЫ Конденсаторные микрофоны имеют самые высокие электроакустические параметры, и в этом их основное преимущество по сравне- сравнению с другими разновидностями микрофонов. Номинальный диапазон частот многих конден- конденсаторных микрофонов достигает 30. ..18 000 Гц, неравномерность частотной характеристики в этом диапазоне не превышает 8 дБ (а у изме- измерительных — 4 дБ), чувствительность в сво- свободном поле на частоте 1 кГц достигает 15... ... 20 мВ/Па и выше. Характеристика направ- направленности может быть практически любой — от ненаправленной до остронаправленной. В нашей стране находят широкое примене- применение отечественные конденсаторные микрофо- микрофоны МК-13, МК-16, МК-18, МК-19, элекгрет- ные конденсаторные микрофоны МКЭ-4, МКЭ-5, МКЭ-6, МКЭ-7, МКЭ-10, МКЭ-11 СН, МКЭ-15, а также микрофоны зарубежных фирм: U-87 и SM-69 фирмы «Нойман» (ФРГ), С-414-ЕВ фирмы AKG (Австрия), МКЕ-802, МКЕ-212 и МКЕ-802 фирмы «Зеннхайзер» (ФРГ), ЕСМ-51 фирмы «Сони» (Япония) и др. Микрофон МК-13М. Это отечественный микрофон профессионального применения с переключаемыми характеристиками направ- направленности. Внешний вид микрофона показан на рис. 5.29, а. Поперечный резрез микро- микрофона приведен на рис. 5.29, б, где / — мем- мембраны диаметром 30 мм, прижатые к изоля- изоляционной втулке в неподвижном электроде 2, имеющем сквозные 4 и глухие 5 отверстия; 3 — зазор между мембраной и неподвижным электродом; 6 — контактный лепесток. У этого микрофона можно получить боль- большой набор характеристик направленности путем дистанционного электрического включе- включения какой-либо одной мембраны или их обеих синфазно или противофазно. Аналоговая электрическая схема капсю- капсюля представлена на рис. 5.29, в, где с0, т0 — гибкость и масса каждой из мембран; т1, сх и гх ¦— масса, гибкость и активное сопротив- сопротивление воздуха в зазорах 3; т2, г% — масса и активное сопротивление в сквозных отверсти- отверстиях 4; т3, с3 — масса и гибкость воздуха в глухих отверстиях 5; 5 — действующая пло- площадь мембран. Микрофон МК-13М обладает равномерной частотной характеристикой и путем упомя- упомянутого выше переключения напряжения по- поляризации может оперативно иметь одну из следующих характеристик направленности: окружность, восьмер1ка (косинусоида), кар- кардиоида, обращенная в одну сторону, и кардио- кардиоида, обращенная в противоположную сторону. Микрофон МК-16. Это отечественный изме- измерительный микрофон, разрез капсюля кото- которого показан на рис. 5.30, а, где / — крышка; 2 — регулятор натяжения мембраны; 3 — никелевая мембрана толщиной 3 мкм; 4 — неподвижный электрод, имеющий ряд сквоз- 5) 4 1 Рис. 5.29. Микрофон МК-13М
ных и глухих отверстий; 5 — прокладка 6 — кварцевый изолятор; 7 — прокладка; 8 — гайка; 9 — винт для перемещения не- неподвижного электрода 4; 10 — крепежный винт. Капсюль конструктивно объединен с микрофонным усилителем, схема которого изо- изображена на рис. 5.30, б. Усилитель на нувис- торе 6С34А выполнен в виде цилиндра, закан- заканчивающегося с одной стороны разъемом для подсоединения к кабелю, идущему к блоку питания, а с другой стороны — штырем для соединения с капсюлем. Для обеспечения на- напряжения анода B10± 10 В при токе 1,5 А) и накала) 6 В при токе 127 мА) предварительно- предварительного усилителя в комлект микрофона МК-16 входит блок питания. Что касается дополнительных параметров, существенных для измерительных целей, то это суммарный коэффициент гармонических искажений на частоте 400 Гц при уровне зву- звукового давления 154 дБ — не более 6%, уровень эквивалентного звукового давления, вызываемого собственным шумом электричес- электрического происхождения в любой активной поло- полосе частотного диапазона, не выше 46 дБ; час- частота, при которой характеристика направ- направленности в пределах угла ±90° от оси отли- отличается от круговой не более чем на 1 дБ, — 3150 Гц; нестабильность уровней чувствитель- чувствительности при нормальных условиях — не более ±0,5 дБ; темепературная поправка — не бо- более 0,05 дБ/°С; изменение уровня чувстви- чувствительности при изменении атмосферного дав- давления— не более ±10~4дБ/Па; изменение уровня чувствительности при иаменении от- относительной влажности от наименьшей до наи- наибольшей — не более 0,5 дБ; изменение уровня чувствительности при изменении напряжения питания на +10% — не более ±0,3 дБ; эк- эквивалентный объем капсюля микрофона при атмосферном давлении 105 Па — не более 2 • Ю-8 м3. Большое число типов измерительных мик- микрофонов выпускает датская фирма «Брюль и Кьер». Из них наиболее употребительны ти- типы 4145 (диаметр 23,77 мм, диапазон 2,6... ...18 000 Гц) и 4133 (диаметр 12,7 мм, диапазон 3,9...40 000 Гц). Неравномерность их частот- частотной характеристики в номинальном дипазо- не не превышает ±2 дБ. Микрофоны обладают высокой степенью стабильности. Микрофон МК-18. Этот микрофон с пере- переключаемой характеристикой направленности (круг, кардиоида, косинусоида), с возможно- возможностью изменения чувствительности и коррекции частотной характеристики чувствительности в области низких частот предназначен для за- записи и усиления музыки и речи в студиях ра- радио и телевидения, концертных залах, теат- театрах и других помещениях. Технические характеристики: номиналь- номинальный диапазон частот 50...16 000 Гц; неравно- неравномерность частотной характеристики чувст- чувствительности в номинальном диапазоне частот в режиме «кардиоида малая» не более 6 дБ, в режиме «косинусоида» не более 10 дБ и в ре- режиме «круг» не более 8 дБ; чувствительность fOOK б) Рис. 5.30. Разрез капсюля (а) и схема усили- усилителя (б) микрофона МК-16 на частоте 1 кГц в режиме «кардиоида боль- большая» не менее 16 мВ/Па, в режиме «кардиоида малая» не менее 10 мВ/Па; средний перепад чувствительности фронт/тыл в режиме «кар- «кардиоида малая» в номинальном диапазоне частот не менее 15 дБ; уровень эквивалентного звукового давления, обусловленный собствен- собственным шумом микрофона, относительно нуле- нулевого уровня звукового давления 2 • 10~5 Па в режиме «кардиоида большая» не выше 13 дБ, в режиме «кардиоида малая» не выше 14 дБ; спад частотной характеристики к частоте 50 Гц в положении переключателя «завал НЧ» составляет 10±3 дБ; чувствительность мик- микрофона может уменьшаться с помощью пере- переключателя на 10 дБ. Габаритные размеры микрофона: 46 х 35 х 187 мм; блока пита- питания ПО х 64 х 125 мм; масса комплекта не более 3,5 кг. Микрофон МК-18 по документации ИЦ 3.842.404 состоит из капсюля и предвари- предварительного усилителя. Капсюль представляет собой симметричную конструкцию, состоящую из двух неподвижных электродов и двух мембран. Зазоры между мембранами и непо- неподвижными электродами образуются с помощью прокладок. Емкость каждой половины кап- капсюля 65±5 пФ. Предварительный усилитель выполнен по двухкаскадной схеме (р.ис. 5.31, а). Первый 85
Пр-0,25А КД-105А АЫ4Д -/1307 606 {Выход) +60B {Выход) SOB {Выход) -220 В Рис. 5.31. Схема предварительного усилителя (о) и блока питания (б) микрофона МК-18 \ [ ¦ AT" 0-0° 180° N ГЦ, 10 50 100 100 500/000 2000 500010000 20000 S) R(B) R(9) 125 Гц 10 кГц ЮкГц 2 кГц Рис. 5,.32. Внешний вид (о), частотные характеристики (б) и диаграммы направлен- направленности (в, г, д) микрофона МК-18 86
Каскад построен йа полевом транзисторе КПЗОЗВ, второй — на биполярном транзисто- транзисторе КТ361Е. Питание усилителя осуществля- осуществляется по фантомной схеме (рис. 5.31,6). С блока питания БП-98 подается напряжение 60 В. Модуль полного внутреннего сопротив- сопротивления микрофона 200...250 Ом. Микрофон дол- должен быть включен на нагрузку с симметрич- симметричным входом и сопротивлением не менее 1 кОм. В микрофоне предусмотрены переключения характеристик направленности — круг, ко- косинусоида, кардиоида — с помощью переклю- переключателя на три положения, а также коррекция частотной характеристики в области НЧ и изменение чувствительности микрофона. Микрофон МК-18 показан на рис. 5.32, а, а его частотные характеристики в режиме «кардиоида» — на рис. 5.32, б. С помощью переключателя, расположенного на корпусе микрофона, можно получать три вида харак- характеристик направленности: в режиме «круг» (рис. 5.32, в), «кардиоида» (рис. 5.32, г) и «косинусоида» (рис. 5.32, д). Микрофон МК-19. Предназначен для тех же целей, что и микрофон МК-18, но имеет только одну характеристику направленно- направленности — кардиоидную. Основные электроакустические параметры микрофона МК-19 такие же, как у митсрофона МК-18 в режиме «кардиоида»; диапазон 50... ...16 000 Гц, чувствительность 16 мВ/Па, ха- характеристика направленности в соответствии с рис. 5.32, г и т. д. Предварительный усили- усилитель микрофона МК-19 выполнен на полевом транзисторе КП307Б по схеме, приведенной на рис. 5.33. Питание усилителя осуществля- осуществляется по фантомной схеме с блока питания БП-120 с выходным стабилизированным на- напряжением 55 В. Схема блока питания БП-120 отличается от приведенной выше схемы блока питания БП-94, тем, что номинал резистора /?з составляет 6,2 кОм и в качестве VDi0 вместо стабилитрона Д814Д используется стабили- стабилитрон КС156А. В остальном схемы идентичны. Микрофон U-87. Этот высококачественный микрофон фирмы «Нойман» (ФРГ) также на- находит широкое применение во многих радио- радиодомах и на телецентрах нашей страны. Внеш- Внешний вид, частотные характеристики и диаграм- диаграммы направленности микрофона (/-87 приведе- приведены на рис. 5.34. Капсюль микрофона состоит из неподвижной пластины и двух позолочен- позолоченных мембран. С помощью переключателя на корпусе микрофона можно выбрать круговую, кардиоидную или косинусоидальную харак- характеристики направленности. Частотные харак- характеристики практически идеально горизонталь- горизонтальные в диапазоне 40...8 000 Гц и имеют подъем на 2...4дБ на частоте собственного механичес- механического резонанса 10 кГц с последующим зава- завалом на более высоких частотах. При кардиоид- ной и косинусоидальной диаграммах направ- направленности линейность частотной характерис- характеристики сохраняется в случае приближения мик- микрофона к источнику не ближе 20 см. Чувст- Чувствительность микрофона можно уменьшить на 10 дБ. Рис. 5.33. Внешний вид (а) и схема рительного усилителя (б) микрофона предва- МК-19 Технические данные микрофона: чувстви- чувствительность 8 мВ/Па на частоте 1 кГц; диапа- диапазон частот 40...16 000 Гц; неравномерность частотной характеристики в диапазоне 40... ...8 000 Гц не более ±2 дБ, в диапазоне 40... ... 16 000 Гц не более ±6 дБ; выходное сопро- сопротивление 200 Ом (рекомендуемое сопротивление нагрузки 250... 1 000 Ом); уровень собствен- собственных шумов не более 25 дБ при измерении при- прибором с линейной частотной характеристикой и не более 18 дБА при измерении по кривой А; максимальный уровень звукового давления, при котором коэффициент гармоник не превы- "шает 0,5%, 120 дБ; напряжение фантом- фантомного источника питания 48 В; потребляемый ток 0,4 мА. Диаметр микрофона 56 мм, длина 200 мм, масса 500 г. Микрофон SM-69. Это — стереофоничес- стереофонический конденсаторный микрофон той же фирмы (рис. 5.35). Предназначен ; для студийных сте- стереофонических звукозаписей. Он состоит из двух идентичных конденсаторных микрофо- микрофонов, расположенных в одном корпусе друг под другом на одной акустической оси. Микрофон имеет три характеристики направленности: круговую, кардиоидную и косинусоидальную. Это. обеспечивает возможность производить стереофонические записи как по методу XY, так и по методу MS. Технические данные микрофона: чувст- чувствительность на частоте 1 кГц 19 мВ/Па; диа- диапазон частот 40...16 000 Гц; неравномерность частотной характеристики не хуже приведен- приведенной на рис. 5.35, б; выходное сопротивление 200 Ом (рекомендуемое сопротивление нагруз- нагрузки 250...1 000 Ом); уровень собственных шу- шумов не более 20 дБ при линейной частотной характеристике и не более 13 дБ при измерен нии по кривой А, максимальный уровень зву-i кового давления, при котором коэффициент гармоник не превышает 0,5%, 123 дБ; на- напряжение фантомного источника питания 48 В; потребляемый ток 2 х 0,6 мА. Диаметр ми- микрофона 48 мм, длина 260 мм, масса 465 г. 87
i I r V 4 г,гц 270*1 \ JU 5 0 — с -1П -Ф- ф" — f,ru. 20 50 100 200 500 1000 2000 500010000 20000 6) 270 Рис. 5.34. Внешний вид (а), частотные характеристики (б) и диаграммы направлен- направленности (в) микрофона U-87 \ А Гц ф \ 270 N.A6 10 5 О -5 -10 20 - 4 50 100 200 500 1000 2000 500010000 20000 5) V 270 Рис. 5.35. Внешний вид (а), частотные характеристики (б) и диаграммы направлен- направленности (в) микрофона SM-69
a) О ^1 II —«^ дкГц О 0° 180° Q -^ 0° 180° ^—= —к. f,r4 - 8 0° 90° 20 50 100 200 500 1000 200Р, 500010000 20000 Рис. 5.36. Внешний вид (а), частотные характеристики (б), диаграммы направлен- направленности (в) микрофона С-414ЕВ Микрофон С-414ЕВ. Этот конденсаторный микрофон фирмы A KG (Австрия) имеет вы- высокие электроакустические характеристики. С помощью переключателя можно выбирать од- одну из четырех характеристик направленности: круг, кардиоиду, гиперкардиоиду, косину- косинусоиду (рис. 5.36). Для получения высоких па- параметров мембрана микрофона изготовлена из специального позолоченного синтетического материала. Чувствительность микрофона в свобод- свободном поле 6 мВ/Па (с помощью переключателя чувствительность может уменьшаться на 10 и на 20 дБ); номинальный диапазон частот 20... ...20000 Гц: неравномерность частотной харак- характеристики во всем диапазоне частот не превы- превышает ±2,5 дБ; модуль полного выходного со- сопротивления не превышает 150 Ом; уровень собственных шумов не более 29 дБ при изме- измерении прибором с линейной частотной харак- характеристикой и не более 17 дБА при измерении прибором с характеристикой А; коэффициент гармоник на частоте 1 кГц не превышает 0,5 % при максимальном уровне звукового давления 138 дБ A60 Па); напряжение фантомного, ис- источника питания 48 В; потребляемый ток 3 мА. Габаритные размеры микрофона 45Х X35X141 мм, масса 360 г. Электретный микрофон МКЭ-4М. Предназ- Предназначен для записи, передачи и звукоусиления музыки и речи в студиях, театрах и концерт- концертных залах. Микрофон разработан взамен вы- выпускавшегося ранее концертного микрофона МК-12. Внешний вид микрофона схематически по- показан на рис. 5.37.а. Неподвижный электрод микрофона выполнен из пресс-порошка с ар- армированным контактом и с металлизированной алюминием поверхностью, имеет ряд отверстий и взаимно перпендикулярных прорезей. Мем- Мембрана изготовлена из фторопластовой планки, металлизированной с одной стороны алюмини- алюминием. Мембрана металлизированной стороной приклеивается токопроводящим клеем к ре- решетке, после чего поляризуется. Между мем- мембраной и неподвижным электродом с по- помощью прокладки образуется зазор 30±2 мкм. Односторонняя направленность микрофона достигается тем, что на мембрану действует звуковое давление как с передней, так и с тыль- тыльной стороны. Необходимый для обеспечения односторонней направленности сдвиг фаз по- получается подбором всех акустико-механичес- ких элементов капсюля. Главную роль при этом играет сопротивление щели между не- неподвижным электродом и вкладышем. Предварительный усилитель микрофона представляет собой двухкаскадный усилитель с непосредственной связью между каскадами. Первый каскад собран на полевом транзис- транзисторе КПЗОЗ, второй — на биполярном тран- транзисторе КТ215Г. Коэффициент передачи уси- усилителя /Сп =0,9, максимальное звуковое давление р = 39 Па; коэффициент гармоник 0,5 % • Электретный микрофон МКЭ-5. Исполь- Используется в качестве нагрудного «петличного» микрофона для записи и передачи речевых и 89
a) Рис. 5.37. Микрофоны МКЭ-4М (а), МКЭ-5 (б) и МКЭ-6 (в) музыкальных программ (рис. 5.37, б). Мик- Микрофон является ненаправленным. Его час- частотная характеристика приведена на рис. 5.38. Микрофон прикрепляется к одежде с помощью зажима типа «крокодил». Блок питания рас- располагают в руке или кармане. Электретный микрофон МКЭ-6. Имеет од- одностороннюю направленность и предназна- предназначен для записи и передачи музыки и речи. Может быть использован на напольной или настольной стойках, а также в jjyKax испол- исполнителя. На рис. 5.39, а приведена схема предвари- предварительного усилителя микрофона МКЭ-6. Уси- Усилитель собран на полевом транзисторе КПЗОЗВ по реостатно-трансформаторной схеме. Для получения равномерной частотной характе- характеристики чувствительности микрофона усили- усилитель имеет подъем в области НЧ, который обес- обеспечивается частотно-зависимой /?С-цепью на выходе усилителя. Блок питания микрофона состоит из выпря- выпрямителя, собранного по мостовой схеме на дио- диодах КДЮ5, фильтра и стабилизатора, собран- собранного на транзисторе П307. Питание микрофона возможно от батареи РЦ-53, встроенной в кор- корпус микрофона. При этом обеспечивается срок службы не менее 500 ч. Частотная харак- характеристика микрофона приведена на рис. 5.38; внешний вид — на рис. 5.37, в. Электретиый микрофон МКЭ-7. Этот не- ненаправленный в горизонтальной плоскости микрофон предназначен для записи речи и музыки. Микрофон состоит из капсюля и уси- усилителя, помещенных в общий корпус. Рабо- 50 100 200 500 WOO 2000 50001000020000 Рис. 5.38. Частотные характеристики микрофо- микрофонов МКЭ-5 (/), МКЭ-6 B) и МКЭ-7 C) чей осью микрофона является любая прямая, лежащая в плоскости мембраны (в горизон- горизонтальной плоскости) или перпендикулярная к его геометрической оси. Внешний вид микро- микрофона и поперечный разрез капсюля микрофона в упрощенном виде представлены на рис. 5.40. Неподвижный электрод / изготовлен из изоляционного материала и имеет ряд сквоз- сквозных отверстий и взаимно перпендикулярных прорезей. Со стороны мембраны неподвижный электрод металлизирован алюминием. В цент- центре неподвижного электрода / с помощью токо- проводящего клея закрепляется контакт 2. При этом обеспечивается электрическое соеди- соединение контакта со слоем металла. Мембрана 3, изготовленная из металлизированной алю- алюминием электретной пленки ФЧМБ-2, при- приклеивается к решетке 4 также токопроводящим клеем. Между мембраной и неподвижным электродом / с помощью изоляционной про- прокладки 5 создается зазор 27. ..ЗОмкм. Усилитель микрофона МКЭ-7 выполнен на двух каскадах с непосредственной связью между каскадами на полевом транзисторе КПЗОЗВ н биполярном транзисторе КТ315Г по схем? с фантомным питанием (рис. 5.39, б). Микрофон МКЭ-10. Этот электретный нена- ненаправленный микрофон (рис. 5.41, а) предназ- предназначен для применения в бытовой радиоаппара- радиоаппаратуре. Номинальный диапазон частот 50... ...16000 Гц, чувствительность в свободном поле на частоте 1 кГц — 2 мВ/Па, модуль полно- полного электрического сопротивления 250 Ом. Микрофон МКЭ-11СН. Этот стереофони- стереофонический электретный направленный микрофон (рис. 5.41, б), предназначен для записи музы- музыки и речи на бытовые стереофонические маг- магнитофоны. Микрофон представляет собой систе- систему двух кардиоидных капсюлей, расположен- расположенных в одном корпусе и развернутых под углом 180° относительно друг друга. Номинальный диапазон частот 50...16 000 Гц чувствитель- чувствительность каждого канала 2,5 мВ/Па на частоте 1 кГц; средний перепад чувствительности фронт/тыл каждого канала 15 дБ; модуль пол- полного электрического сопротивления 200 Ом. Микрофон МКЭ-15. Этот «ручной» микро- микрофон с кардиоидной характеристикой направ- направленности (рис. 5.42) предназначен для звуко- звукозаписи и передачи музыкальных и речевых программ в студиях, театрах, концертных залах и открытых пространствах. 90
VBf и У01-КДЮ2Б клзозв г 10'0 Ж Ю,0 R, + /0, 2 "що +10 В Рис. 5.39. Схемы предварительных усилителей микрофонов МКЭ-6 (а) и МКЭ-7 (б) Номинальный диапазон частот микрофона 50... 16 000 Гц, чувствительность микрофона по свободному полю 1.5...3 мВ/Па на часто- частоте 1 кГц; отклонение частотной характерис- характеристики чувствительности микрофона от типовой, приведенной на рис. 5.42, б, в номинальном диапазоне частот не превышает ±2,5 дБ; средний перепад чувствительности фронт/тыл в номинальном диапазоне частот не менее 18 дБ; модуль полного электрического сопро-, тивления 200 Ом на частоте 1 кГц; уровень эквивалентного звукового давления, обуслов- обусловленный собственными шумами микрофона от- относительно звукового давления 2 • 10~5 Па, не более 25 дБ. Габаритные размеры микро- микрофона, мм: 0 55 и длина 216; блока питания 64 X ПО X 125. Масса микрофона не более 0,23 кг, масса блока питания не более 0,9 кг. В комплект поставки изделия входят мик- микрофон, блок питания ПВ-95, кабели длиной 5 и 25 м, ветрозащитный колпачок, стойка, шарнир, кассета и паспорт. Электрическая схема предварительного усилителя микрофона МКЭ-15 показана на рис. J5.42, в, блока питания — на рис. 5.42, г. . Микрофон состоит из капсюля с электретной мембраной, предварительного усилителя, вы- выполненного на интегральной микросхеме К513УЕ1Б, батареи питания (элемент 163), встроенной в корпус микрофона, и сетевого блока питания. Капсюль микрофона через эластичную прокладку закреплен в сетчатом корпусе микрофона, соединенном по резьбе с ручкой микрофона, в которой установлены плата с усилителем, элемент 316 в кассете, трансформатор и разъем. Усилитель микро- микрофона ^содержит фильтр, снижающий чувст- чувствительность на низких частотах 50...150 Гц на 3...5 дБ. Конструкция микрофона и электрическая схема усилителя обеспечивают малую воспри- восприимчивость к помехам, создаваемым рукой исполнителя. Для обеспечения малой воспри- восприимчивости к воздушному потоку, возникаю- возникающему при работе на близком расстоянии от рта исполнителя и при работе на открытом воздухе, микрофон снабжен ветрозащитным колпачком из травленого пенополиуретана. Микрофон ЕСМ-51. Этот электретный мик- микрофон фирмы «Сони» (Япония) с круговой характеристикой направленности имеет номи- номинальный диапазон частот 40... 14 000 Гц; эф- эффективный уровень номинального выходного напряжения —54 дБ, модуль полного выход- выходного сопротивления 250 Ом (рекомендуемое значение сопротивления нагрузки 3 кОм); на- напряжение питания предварительного усили- усилителя 1,5 В; потребляемый ток 0,13 мА; вре- время работы батареи до замены не менее 3 000 ч. Микрофон МКЕ-212 типа ПЗМ. Микро- Микрофоны МКЕ-212 фирмы «Зеннхайзер» (ФРГ) являются одним из наиболее распространенных в мировой практике микрофонов серии ПЗМ (PZM — microphone a zones de pression) — микрофоны граничного давления. Эти мик- микрофоны укрепляются непосредственно на по- поверхности пола, стены, щита и поэтому воспри- воспринимают давление звуковых волн только с од- одной полусферы. В качестве ПЗМ-микрофонов чаще всего используют электретные конденсаторные микрофоны, к которым относится и микрофон МКЕ-212. Номинальный диапазон частот этого микрофона 20...20000 Гц, чувствительность по свободному полю 20 мВ/Па; модуль пол- полного выходного сопротивления 1 кОм. ПЗМ-микрофоны в последние годы полу- получили широкое распространение. В таких мик- микрофонах электретная мембрана монтируется либо напротив диафрагмы, но почти запод- заподлицо с жесткой поверхностью, либо непосред- непосредственно на поверхности, направленной на ис- 6) Рис. 5.40. Внешний вид (а) и поперечный раз- разрез (б) микрофона МКЭ-7 91
Рис. 5.41. Микрофоны МКЭ-10 (а) и МКЭ-ПСН (б) точник звука. Если преобразователь гради- градиента давления смонтирован таким образом, что его главная ось параллельна поверхности, к которой он крепится, то в этом случае можно получить любую характеристику направлен- направленности, например, полукардиоиду или полуги- перкардиоиду. В обычных условиях, когда микрофон уста- устанавливается на стойке, звук достигает мик- микрофона по различным путям: непосредствен- непосредственно от источников звука, а также отражения от пола, потолка и стен. В результате за счет интерференции звуковых волн частотная ха- характеристика получается крайне неравномер- неравномерной. Для избежания этого используют остро- остронаправленные микрофоны или же микрофоны устанавливают очень близко к источнику зву- звука («ближняя микрофония»). Ближняя микро- фония приводит к «полимикрофонии», при ко- которой для записи звука используют большое число микрофонов. При этом помехи возника- возникают уже между собственными выходными сиг- сигналами микрофонов. Более того, в этих слу- случаях необходимо добавлять искусственную реверберацию. В результате такие звукоза- звукозаписи часто воспринимаются как неестествен- неестественные. Для достижения большей естественности звучания используют главным образом два метода: применение микрофонов типа «ис- «искусственна^ голова» и ПЗМ-микрофонов. В случае использования ПЗМ-микрофонов устра- устраняются эффекты гребенчатого фильтра, так как микрофоны крепятся к жесткой поверх- поверхности, например к полу. Отражения от акус- акустически жесткой поверхности вызывают уве- увеличение давления, которое достигает 6 дБ. Способ установки микрофонов непосредствен- непосредственно на поверхности влияет также на соотноше- соотношение между прямым и отраженным звуками. Так как отраженные звуковые волны вос- воспринимаются ПМЗ-микрофоном только под углом 2я стерадиан, то отношение прямого звука к отраженному возрастает на 3 дБ. Обычно ПМЗ-микрофоны состоят из пре- преобразователя, который реагирует на изменение звукового давления и монтируется заподлицо на металлической пластинке, которая крепит- крепится на отражающей поверхности (на полу или /о'АВ 20 10 юо гоо I Л Гц 500 1000 ZOO О 5000 10000 20000 кет Рис. 5.42. Микрофон МКЗ-15: внешний вид; б — частотная характеристика; в — схема усилителя; г — схема блока питания 92
Пластина 185*165*10 Капсюль 77777777777777777777777777/ 40* 30 20 10 77777777777777777777777777 50 40 30 2о $о too zoo 500 moo 2000 5000 toooo 20000 т„ в) О tOO 200 500 1000 2000 5000 10000 20000 б) Рис. 5.43. Размещение и характеристики ПЗМ- Рис. 5.44. Второй вариант размещения ПЗМ- микрофона микрофона и его характеристики 90^ 60° 30^ 0° У0* * s s is \ /~ —1«" ^> A/N 1 ¦ SO* SO" 0° / / _-¦¦«» >_ Л стене). Характеристика направленности тако- такого ПЗМ-микрофона представляет собой полу- полусферу, а его коэффициент направленности ра- равен 3 дБ. Микрофон МКЕ-212 выполнен в виде ми- миниатюрной малошумящей электретной мем- мембраны диаметром 10 мм с воспринимающим отверстием диаметром всего лишь 0,5 мм, ко- которая смонтирована заподлицо на жесткой пластине размерами 165 X 185 мм (толщиной 10 мм). Поэтому устраняются все отражения и дифракция в преобразователе. В результате частотная характеристика микрофона соот- соответствует частотной характеристике мембра- мембраны. На рис. 5.43, а приведены диаграммы на- направленности ПЗМ-микрофона, когда, он ук- укреплен таким образом, что его ось перпенди- перпендикулярна пластине (рис. 5.43, б) и он установ- установлен на сцене прямо перед исполнителем. Из приведенных на рис. 5.43, в частотных ха- характеристик чувствительности микрофона МКЕ-212 для нескольких углов падения вид- видно, что увеличение давления иа разных час- частотах неодинаковое. Во многих случаях коэффициент направ- направленности 3 дБ недостаточен для получения желаемого качества звукозаписи, особенно при стереофонии. ПЗМ-микрофоны с большим коэффициентом направленности можно полу- получить при использовании кардиоидных пре- преобразователей. Если кардиоидный преобразо- преобразователь с малыми размерами, которыми можно пренебречь по сравнению с длиной звуко- звуковых волн, помещен в граничной зоне, то микрофон имеет диаграмму направленности, главная ось которой расположена параллель- параллельно поверхности, а составляющая градиента давления меньше составляющей градиента давления самого преобразователя или равна 5) 6) 7) Рис. 5.45. Системы использования ПЗМ-микрофонов 93
ей. Коэффициенты направленности преобразо- преобразователя и всей конструкции ПЗМ-микрофона при этом складываются. При использовании в ПЗМ-микрофоне кардиоидного преобразо- преобразователя можно получить коэффициент направ- направленности Q = 5 + 3 = 8'дБ. Характеристи- Характеристика направленности при этом имеет форму по- полукардиоиды (рис.. 5.44, а). Расположение микрофона на поверхности показано на рис. 5.44, б, его частотные характеристики чувствительности при различных углах па- падения звуковых волн — на рис. 5.44, в. В настоящее время разработаны конструк- конструкции, которые на основе использования так называемых «сближенных» ПЗМ-микрофонов позволяют получать по крайней мере восемь традиционных вариантов для стереозаписей. Эти системы эскизно показаны на рис. 5.45, где / — система Блюмлейна, 2 — XY (или Лаудридсена ), 3 — MS, 4 — Фолкнера-Блюм- лейна, 5 — (XRTF, 6 — NOS, 7 — DIN, 8 — биноуральная или система «искусственная го- голова». Каждая из этих конструкций сближен- сближенных ГШЗ-микрофонов состоит из трех основ- основных частей: двух V-образных панелей, обра- образующих вместе чаще всего форму ромба, и третьей панели, разделяющей этот ромб. При этом V-образная панель с шарниром посреди- посредине образует как бы «крылья», которые могут сгибаться. Сгибая эти крылья вперед и назад, сдвигая или раздвигая V-образные панели, можно получать практически бесконечное ко- количество характеристик направленности. 5.6. НЕКОТОРЫЕ ДРУГИЕ ТИПЫ МИКРОФОНОВ Помимо рассмотренные типов микрофонов широкое преминение находят также микрофо- микрофоны угольные, электромагнитные, остронаправ- остронаправленные, радиомикрофоны и др., а также ларин- ларингофоны. Рассмотрим некоторые из них. Угольные микрофоны МК-Ю и МК-16. Это — наиболее распространенные в СССР типы микрофонов, применяемых в телефонии, переговорных устройствах, радиопередатчи- радиопередатчиках и т. п. Конструкция капсюля МК-Ю представлена на рис, 5.46, а, а его аналоговая электрическая схема — на рис. 5.46, б, где: \/ — корпус; 2 — угольный порошок внутри покрытого изолирующим лаком углубления корпуса; 3 — латунная диафрагма; 4 — по- позолоченный подвижный электрод; 5 — непо- неподвижный электрод; 6 — кольцо—прокладка, ограничивающая камеру с угольным порош- порошком; 7 — крышка с тремя звкукоприемными отверстиями общей площадью S; 8 — анти- антиморозная тарелочка, защищающая эти отвер- отверстия на морозе от оседания на них паров, выходящих изо рта говорящего; р ехр (/©/)— звуковое давление, действующее на вход мик- микротелефонной трубки; тг — масса воздуха в отверстиях трубки; сх — гибкость воздуха в объеме между отверстиями и диафрагмой мик- микрофона; т2 — масса воздуха в звукоприем- ных отверстиях; с2 — гибкость воздуха в объе- объеме между звукоприемными отверстиями и диафрагмой; т0, г0, с0 — масса, активное со- сопротивление и гибкость диафрагмы. Капсюль МК-Ю выпускается в трех моди- модификациях, различающихся между собой элек- электрическим сопротивлением и условиями пи- питания. Модификация НО имеет соопротивление 50 Ом, напряжение питания в схемах МБ 1,5 или 3 В. Сопротивление модификации СО 100 Ом. Сопротивление модификации ВО 200 Ом, ток питания в схемах ЦБ 10...40 мА. Средняя чувствительность микрофона МК-Ю составляет 200 мВ/Па. Конструкция капсюля МК-16 показана на рис. 5.47, а, где: / — корпус; 2 — крышка с звукоприемными отверстиями общей пло- площадью S; 3 — диафрагма; 4 — подвижный электрод; 5 — держатель неподвижного элек- электрода 6; 7 — камера для угольного порошка; 8 — кольцо с отверстиями, затянутыми шел- шелком, разделяющее объем под ним и объем под диафрагмой. Как видно из рисунка, капсюль МК-16, предназначенный в основном для ап- аппаратов ЦБ, имеет некоторые конструктив- конструктивные отличия от капсюля МК-Ю. Важнейшие из них — форма палладированных электро- электродов, камера с угольным порошком, которая обеспечивает большую стабильность работы микрофона при его угловых перемещениях, так как при любом из них контакт между элек- электродами через порошок не разрывается. Воз- Воздух под диафрагмой делится на две части, сое- соединяющиеся между собой через алюминиевое кольцо с отверстиями, затянутыми шелком, а) • у Рис. 5.46. Капсюль (а) и эквивалентная электрическая схема (б) капсюля МК-Ю 94
a) 5) Рис. 5.47. Капсюль (а) и эквивалентная электрическая схема (б) капсюля МК-16 вносящим акустическое сопротивление. Как видно из аналоговой электрической схемы (рис. 5.47, б), это усложняет ее. Акустическое же сопротивление сглаживает разонансные пи- пики. В результате становится более равномер- равномерной частотная характеристика, повышается чувствительность, среднее значение которой составляет 400 мВ/Па. Капсюль выпускают в двух модификациях: сопротивлением 70 (СО) и 200 Ом (ВО) при токах питания соответст- соответственно 100 и 50 мА. На рис. 5.47, б обозначено: рехр (ja>/) — звуковое давление, действую- действующее на вход микротелефонной трубки; тг — масса воздуха в ее отверстиях; сх — гибкость воздуха в объеме между отверстиями и кап- капсюлем микрофона; т1г /п2 — масса воздуха в звукоприемных отверстиях; с2 — гибкость воздуха в объеме между звукоприемными отверстиями и диафрагмой капсюля микро- микрофона; г0, /п0, с0 — активное сопротивление, масса и гибкость диафрагмы; са — гибкость воздуха в объеме под диафрагмой; г8 и ю8 — активное сопротивление и масса воздуха в отверстиях в кольце, затянутых шелком; с4 — гибкость воздуха в объеме под кольцом с отверстием. Частотные характеристики микрофонов МК-Ю и МК-16 приведены на рис. 5.48. Электромагнитный микрофон ДЭМШ. Из электромагнитных микрофонов наиболее рас- распространен в СССР микрофон ДЭМШ. Его устройство изображено на рис. 5.49, а, где / — цилиндрический магнит, 2 — магнито- провод, 3 — диафрагма. Звуковое давление через отверстия в маг- нитопроводах 2, прилегающих к цилиндричес- цилиндрическим магнитам /, воздействует с двух сторон на диафрагму 3. Последняя приходит в коле- колебания, приближаясь попеременно то к одному, то к другому магнитопроводу. Это соответст- соответственно вызывает увеличение магнитного потока то Ф1( то Ф2. Благодаря этому в обмотках возникают ЭДС одинаковой величины, но раз- разного направления. Однако вследствие того что эти обмотки намотаны в противоположных направлениях, ЭДС складываются. Анало- Аналоговая схема микрофона ДЭМШ изображена на рис. 5.49, б, где: ^ехр (/со/) и р2ехр 0ш0 — звуковые давления, действующие на отверстия в магнитопроводах площадью S; mlt m% — массы воздуха в отверстиях магнитопровода; ci> с% — гибкости воздуха между отверстиями и диафрагмой; т0, г0, с0 — масса, активное сопротивление и гибкость диафрагмы. Из эквивалентной схемы видно, что силы, действующие на диафрагму с двух сторон, сдвинуты по фазе относительно друг друга, поскольку микрофон располагается так, что полезный источник звука находится ближе к одному звукоприемному отверстию, чем к другому. В результате микрофон работает как приемник градиента давления, т. е. яв- является шумозащищенным. Действительно, применение микрофона в условиях шума весь- весьма эффективно. Частотный диапазон микро- микрофона составляет всего лишь 300...3000 Гц (его частотная характеристика изображена на рис. 5.49, в, а характеристика направленнос- направленности — на рис. 5.49, е)\ чувствительность мик- микрофона на частоте 1000 Гц не менее 7,7 мВ/Па, а средняя по диапазону — 3,3 мВ/Па; чув- чувствительность микрофона на номинальной на- нагрузке 600 Ом на частоте 1000 Гц не менее 0,44 мВ/Па, а средняя по диапазону — 0,22 мВ/Па; модуль полного электрического сопротивления на частоте 1000 Гц колеблет- -10 -S0 'V¦ ¦ ¦ ¦ i-i . Z00 500 1000 1000 5000 ЮООО) Рис. 5.48. Частотные характеристики микрофо- микрофонов МК:Ю и МК-16 95
Км,мВ/Па 10 7 5 4 3 2 0,7 б) П 0,1 — / 200300500 1000 2000 5000 f в) Рис. 5.49. Электромагнитный микрофон ДЭМШ и его характеристики /20* ся в пределах 400..Л000 Ом. Габариты мик- микрофона: 0 23 X И мм; масса 14 г. Кроме микрофона ДЭМШ, довольно широ- широко применяют в аппаратуре связи микрофон МЭМ-60. Его частотный диапазон составляет 250...3000 Гц, а чувствительность на номи- номинальной нагрузке 600 Ом на частоте 1000 Гц достигает 10 мВ/ГТа; модуль полного электри- электрического > сопротивления- на этой же частоте 300 Ом. Микрофон снабжен резиновым ру- пором и четырехпроводным шнуром длиной 1,25 м с жилами, облуженными на концах. Га- Габаритные размеры микрофона: 176 X 60 X X 80 мм, масса 400 г. Пьезоэлектрические микрофоны. В СССР такце микрофоны выпускают только для ком- комплектации слуховых аппаратов; прямоуголь- прямоугольной формы'— для аппаратов «Слух» и «Крис- «Кристалл» B2,5 X 16 X 6 мм) и круглые — для а) Tpyfoa Рипорок \ Рис. 5.50. Внешний вид (а) и принцип уст- устройства (б) микрофона МД-74 96 аппарата «Звук» @ 35 X 6 мм). Масса их — 10...12 кг. Принцип устройства этих микрофонов за- заключаются в том, что тонкая дюралиюминие- вая диафрагма соединена механически с би- морфным пьезоэлементом. При колебаниях диафрагмы на обкладках пьезоэлемеита воз- возбуждается ЭДС. Емкость пьезоэлемента со- составляет 500...1500 пФ. Чувствительность этих микрофонов довольно большая — 50...100 мВ/Па, а частотный диапазон узкий-— 100...5000 Гц. Однако пьезомикрофоны имеют большой разброс параметров от экземлпяра к экземп- экземпляру и недостаточно удовлетворительную экс- эксплуатационную надежность — хрупки, под- подвержены воздействию влажности и темпера- температуры, которая не должна превышать 45 °С. Остронаправленные микрофоны. Отечест- Отечественный остронаправленный микрофон МД-74 состоит из собственно микрофона динамичес- динамического типа и примыкающей к нему трубки длиной 0,8 м (рис. 5.50, а). Вдоль трубки (рис. 5.50, б) в ее стенке проделан через рав- равные промежутки ряд отверстий. Для компен- компенсации падения чувствительности микрофона на высших частотах из-за большого поглоще- поглощения их в трубке вокруг каждого из отверстий устанавливают концентраторы — рупорки. Размеры их подобраны так, чтобы обеспечить V подъем частотной характеристики на высших частотах диапазона до 10... 12 дБ.
Остронаправленный микрофон MKE-802N фирмы «Зеннхайзер» (ФРГ) состоит из элек- третного одностронненаправленного микро- микрофона и примыкающей к ней трубы. Эта труба имеет отверстия, по своей длине закрытые звукопоглощающим материалом, поглоще- поглощение которого мало в начале, у входа трубы, и нарастает к ее концу, примыкающему к мик- микрофону. На низких частотах, где длина трубы мала по сравнению.с длиной волны, она почти не действует. Но микрофон рассчитан так, что именно в этой области частот его чувст- чувствительность наибольшая. На тех же частотах, где длина трубы сравнима с длиной волны, действие трубы проявляется в том, что увели- увеличивается чувствительность и обостряется на- направленность микрофона. Фирма Зеннхайзер» выпускает также остро- остронаправленные микрофоны МКН-416, МКН-816 и др. Внешний вид, частотная характеристика и диаграммы направленности суперкардиоид- ного микрофона МКН-416 приведены на рис. рис. 5.51. Радиомикрофоны. В практике звукоуси- звукоусиления довольно большое распространение по- получили радиомикрофоны. Их преимущество перед обычными микрофонами в том, что при работе с ними исполнитель (оратор, певец и т. п.) не связан при своем перемещении по эст- эстраде или сцене микрофонным кабелем. При- Применяя радиомикрофон, исполнитель может свободно перемещаться, так как микрофон, который исполнитель держит в руке или ко- который прикрепляется к одежде, снабжен ми- миниатюрным радиопередатчиком, работающим на находящийся поблизости (например, в по- помещении аппаратной) радиоприемник, вы- выходное напряжение которого уже использу- используется обычным образом. Для примера рассмотрим кратко радио- радиомикрофон РМ-7. В его комплект входит переносной передатчик размером 130 X 99 X X 28 мм, массой 330 г с микрофоном МД-63Р или МКЭ-2. Микрофоны МД-63Р имеют при- приспособление для крепления к одежде испол- исполнителя. Антенной передатчика является гиб- гибкий провод длиной 1 м. Питание передатчика осуществляется от батареи аккумуляторов 7Д-0.1. Потребление тока — не более 28 мА. Время непрерывной работы — не менее 4 ч. Выходная мощность передатчика не менее 10 мВт, что обеспечивает дальность действия в свободном пространстве не менее 50 м при отношении сигнал-шум на выходе приемника не менее 40 дБ. Рабочая частота передатчика и приемника 58 или 59 МГц. Приемник имеет габаритные размеры 103 X 275 X 212 мм и массу 3,2 кг. Он может питаться от сети пере- переменного тока через специальный блок пита- питания или от батареи элементов типа 343 с на- напряжением 12,8 В. Время непрерывной ра- работы от этой батареи не менее 18 ч. Выходное напряжение приемника на нагрузке 240 Ом при девиации частоты ±50 кГц не менее 10 мВ. В комплект приемника входит контрольный телефон ТА-56М. Рассмотрим также систему радиомикрофо- радиомикрофонов, входящую в состав студийного обо- оборудования «Перспектива». Эта система радио- радиомикрофонов предназначена для работы в со- составе звукового оборудования АСБ-ЦТ с ис- использованием радиоакустических систем не- непосредственно в студии. Радиомикрофоны являются равноправными источниками зву- звуковых сигналов, поязволяя исполнителям сво- свободно перемещаться по студии. Комплекс аппаратуры радиомикрофона РМ-14 содержит в своем составае: микрофоны МД-79 — 2 шт., микрофоны МКЭ-8 — 2 шт., микрофоны МКЭ-5 — 4 шт., переносные пере- передатчики ПРДМ-13 — 4 шт., переносные пере- передатчики ПРДМ-14 — 4 шт., стационарные при- приемники ПРМ-14 — 4 шт. Передатчик ПРМД-13 совмещен с динами- динамическим микрофоном МД-79 или электретным микрофоном МКЭ-8 (рис. 5.52, а). Передат- Передатчик ПРДМ-14 карманного типа работаете пет- петличным электретным микрофоном МКЭ-5 (рис. 5.52, б). Комплект аппаратуры «передатчик—при- «передатчик—приемник» рассчитан на работу на одной из четы- четырех фиксированных частот: 161,1» 163,75; 166,5 или 167,15 МГц. Можно одновременно вести работу на двух каналах с разносом не- несущих частот 1,5 МГц. С выхода приемника звуковой сигнал поступает на шкаф комму- коммутации С-1481 и далее на пульт звукорежиссе- звукорежиссера П-71 или на шкаф связи С-1483 (в случае о) 10 -W МКН-416 f, \ ГЦ 50 ЮО 200 5001000 200050001000020000 В) (б) Рис. 5.51. Внешний вид (а), частотная характеристика (б) и диаграмма направлен- направленности микрофона МКН-416 (в) 4 Зак. 1688 97
VM4-79' или НКЭ-8 С-1482 ПРМ-14 Шкаф ком- -\*утационный С-Г48/ Пульт П-71 Вых C-148Z ПРМ-14 Шкаф ком- -футационный .С-14 Пульт П-7Г Вых Рис. 5.52. Системы радиомикрофонов коммутации радиомикрофона помощнику ре- режиссера). Блок приемника ПРМ-14 с источником пи- питания стационарно устанавливают в шкафу радиосвязи и радиомикрофонов С-1482. При- Приемные антенны размещают на стенах студии и с помощью кабелей соединяют с приемника- приемниками. Передатчики раздают актерам, выступаю- выступающим в студии. Передатчик ПРДМ-13, совме- совмещенный с микрофоном, располагают в ру- руке ' исполнителя, карманный передатчик ПРДМ-14 — в кармале или подвешивают на ремешке и подсоединяют к микрофону с по- помощью кабеля с разъемом. Ларингофоны. На рис. 5.53, а приведено устройство угольного ларингофона ЛА-5, где: / — пластмассовый корпус, прижимаемый к гортани; 2 — его крышка; 3 — ячейки для угольного порошка 4; 6 — верхняя диафрагма; 5 и 7 — прикрепленные соответственно к ним подвижные электроды; 8 — нижняя диаф- диафрагма. При разговоре колебания от мышц гор- гортани человека передаются корпусу ларинго- ларингофона. Вследствие инерции электродов они на- начинают перемещаться относительно корпуса. Причем из-за различной массы электродов и различной упругости диафрагм эти переме- -ю -20 -Z0 лэм-з ->• ЛА-5 у ~^у/ /г г / ч \ г 200 500 1000 2000 5000 /0000 Рис. 5.53. Ларингофоны ЛА-5 (а) и ЛЭМ-3 (б) и их частотные характеристики (в) 98
щения несинфазны. В результате порошок между электродами деформируется и на зажи- зажимах ларингофона возникает напряжение звуковой частоты. Применение электродов с различными массами и диафрагм с различ- различными упругостями приводит к тому, что каж- каждая из этих колебательных систем имеет различные значения резонансной частоты, что расширяет диапазон передаваемых частот и улучшает равномерность частотной характе- характеристики чувствительности. Под последней в данном случае понимается отношение разви- развиваемого напряжения к колебательной скорос- скорости корпуса (мВ/см/с или В/м/с). Ларингофон ЛА-5 имеет сопротивление 165 Ом и работает при напряжении питания 3 В. . Электромагнитный ларингофон ЛЭМ-3 представлен на рис. 5.53, б, где: / — посто- постоянный магнит; 2 — полюсные наконечники с надетыми на них катушками; 3 — диафраг- диафрагма; 4 — якорь; 5 — корпус. При разговоре колебания от мышц гортани передаются кор- корпусу. Благодаря инерции магнитной системы она начинает перемещаться при этом относи- относительно якоря, что изменяет магнитный поток проникающей катушки, вследствие его на за- зажимах последних развивается напряжение звуковой частоты. Частотные характеристи- характеристики ларингофонов приведены на рис. 5.53, в. Практически все ларингофоны использу- используются попарно, будучи прижаты к горлу с двух сторон его. Электрически при этом они соеди- соединяются последовательно. Параметры основных типов отечественных микрофонов приведены в табл. 5.4, а. неко- некоторых типов' зарубежных микрофонов в табл. 5.5. 5.7. ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ МИКРОФОНОВ На каждый микрофон ведется эксплуа- эксплуатационный паспорт и журнал учета, в кото- которые вносятся результаты периодических ис- испытаний, замеченные неисправности, меры, предпринятые к их устранению и их резуль- результаты. Периодические испытания микрофонов заключаются в том, что один раз в полгода измеряют характеристики микрофонов и сли- сличают с указанными в его паспорте. В случае существенного расхождения (больше 3 дБ) микрофон должен быть снят с эксплуатации и отправлен в ремонт. Как правило, основная причина ухудше- ухудшения работы микрофона или выхода его из строя — нарушение электрических контак- контактов, большей частью в разъеме или во встро- встроенных усилителях конденсаторных и электрет- ных микрофонов. Ремонт, связанный с этими причинами, возможен лишь при наличии ква- квалифицированного персонала, имеющего опыт работы с радиоэлектронными схемами. Устра- Устранение же механических повреждений подвиж- подвижной системы силами эксплуатирующих орга- организаций производить не рекомендуется, так как полноценно это может быть выполнено лишь в заводских условиях. Общая надеж- надежность микрофонов характеризуется наработ- наработкой на отказ, которая нормируется в техни- технических условиях данного типа. Она составляет для динамических микрофонов обычно не менее 5 000 ч. Если в данной организации практикуется во всех или в некоторых записях или переда- передачах одновременное использование нескольких микрофонов в одном электрическом тракте, то необходимы предварительное определение и обозначение их полярности. Это требуется во избежание возможности их включения в противофазе, что приводит к полной или час- частичной компенсации выходных напряжений микрофонов. Полярность микрофонов проще всего опре- определяют следующим образом. Какой-то мик- микрофон выбирают за опорный. Желательно, чтобы его чувствительность была средней по отношению к чувствительности всех других микрофонов. Этот микрофон включают на вход звукоусилительного тракта, на выходе кото- которого включен индикатор (стрелочный, осцил- осциллограф и т. п.). Далее последовательно как можно ближе к опорному устанавливают все остальные микрофоны парка и включают так- также последовательно на другой микрофонный вход тракта. Следует следить за одинаковым включением их разъемов. Затем при каком-ли- каком-либо звуке перед парой микрофонов (например, хлопок) замечают показание индикатора на выходе. Если микрофоны сфазированы, то по- показания индикатора не должны снижаться при введении микшеров друг за другом, а на слух не должна изменяться тембровая окрас- окраска голоса. При несфазированных микрофонах снижается уровень громкости и замечается от- отсутствие низких частот. Можно проверять фазировку и с помощью специальных прибо- приборов — стереогониометров, например, МЭЗ- 910, Г-2 и др. При эксплуатации микрофоны укрепляют на подставках, стойках, треногах или шта- штативах различной длины: коротких, если мик- микрофон устанавливают на столе или кафедре, и длинных при установке на полу; иногда применяют выдвижные (простые и телескопи- телескопические) штативы. В больших студиях микро- микрофоны подвешивают на «журавли* — специ-~ альные передвижные устройства, позволяю- позволяющие перемещать микрофоны выше головы ис- исполнителя в различные точки студии даже во время передачи. Для репортажных условий микрофоны снабжают ручкой или «.удочкой», позволяющей ведущему передачи держать микрофон на рас- расстоянии до 1...1,5м. Некоторые виды таких / устройств показаны на рис. 5.54. Микрофоны крепят к соответствующему устройству либо за корпус с помощью специ- специального обжима или хомута, либо резьбовым соединением. В последнем случае в корпусе микрофона имеется выступ (хвостовик) с резь- резьбой, ввинчивающейся в стойку или другое подобное устройство. Соединение может быть 4* 99
о Таблица 5.4. Параметры отечественных микрофонов Тип микрофона Номиналь- Номинальный диапа- диапазон частот, Гц Неравномер- Неравномерность частот- частотной характе- характеристики, дБ И3 Чувстви- Чувствительность холостого хода на частоте 1 кГц, мВ/Па Средняя разность уровней чувстви- чувствительности «фронт- тыл», дБ Направлен- Направленные свойства Габаритные размеры, мм Масса, кг Основное .назначение МД-52А МД-52Б МД-52Б-СН МД-63 МД-63Р МД-66 МД-71 МД-74 МД-78 » МД-200 мд^о! 82А-5ММ МД-80 МД-86 МЛ-19 МЛ-51 МК-6 19 А 31 19 А 31 КМС-19-01 (малогабаритный) КМС-19-02 КМС-19-03 (ветрозащищенный) 50. 50. 50. 60. 60. 100. 50. 50. 50. 16000 15000 , 15000 15000 .15000 .10000 .15000 .10000 .15000 100...10000 100. 50. 50. 40. 50. 40. 20. 20. 20. 20. 20. 20. 10000 10000 12000 15000 .16000 .16000 .40000 .20000 .20000 .20000 .20000 .20000 Электродинамические микрофоны ОН ОН ОН НН НН ОН НН ОН ОН ОН НН ОН ОН он Ленточные микрофоны ю ю 12 20 20 20 8 20 20 (на 1 м) 8(на 0,1 м) 12 12 10 22 20 250 250 250 250 to to to СП СП СП о о о 250 150 250 250 250 200 150 1,2 1.2 1,2 1,1 1,1 2 1,5 1,2 2 1,5 1.5 4 2 1,2 12F) 12F) 12F) 12F) 12 12F) 12F) 18(9) 12F) 15 14 10 250 250 1,6 15 ОН ДН 0 32X120 0 32ХИ4 325X270X190 0 22X68 0 22X68 . 0 37X92 0 33X116 0 71X810 0 52X180 0 35X115 55X31,5X41 0 44X135 0 24X206 140X46X41 0 52X180 Конденсаторные элек третные микрофоны 250 80 80 80 80 80 1,1 22 25 16 20 20 — — — — — НН он ДН он он он 0 55X95 44X25X190 44X25X190 0 21X158 0 39X188 0 57X198 0,2 0,17 0,17 0,125 0,05 0,15 0,17 0,5 0,32 0,15 0,1 0,35 0,35 0.55 0,60 0.05 0,300 0,300 0,110 0,200. 0,240 Универсальный Для любительской зву- звукозаписи Стереофонический Нагрудный или петлич- петличный Для радиомикрофонов Речевой Для акустических изме- измерений Для приема на фоне шумов, репортажа Для солистов эстрады, ручной с амортизиро- амортизированным капсюлем Для любителей звуко- звукозаписи То же Универсальный То же Универсальный студий- студийный То же Для акустических изме- измерений Для использования в ки- кинематографии Для использования в ки- кинематографии То же
KMC-19-64 (музыкальный) KMC-19-05 KMC-19-07 KMC-19-08 KMC-19-09 КМКЭ-1 MK-12 MK-13M MK-15 MK-16 МКЭ-2 МКЭ-3 19 A 31 MK-18 MK-19 МКЭ-4М МКЭ-5 МКЭ-6 МКЭ-7 МКЭ-10 МКЭ-11СН - МКЭ-15 о "~ Примечание. 20...20000 20...20000 20...20000 20...20000 20...20000 20...20000 50...15000 30...18000 50...15000 20...40000 50...15000 50...15000 20...20000 80...16000 50...16000 50...15000 50...16000 50...16000 50...15000 50...16000 50...16000 8 8 8 8 8 8 9 6 (в режиме кардиоиды в диапазоне 50... 15000 Гц) 12 5 15 10 8 8 6 10 6 9 12 18 12 80 80 80 80 80 80 600 600 600 250 200 2000 80 200 ' 200 200 250 250 250 20 20 45 9 10 30 17 11 5,5 5,5 2 1,5 3,5 20 16 16 18 2,5 3 8 2 2,5 1,5 — — 20A0) 12A0) 10 (фронт/ 90°) 15 — 4 — 15 15 20 — 18 10 [фронт/— 90°) 15 18 ОН он осн нн ДН он он он нн он ДН ОН в верти- вертикальной плоскости, НН в гори- горизонтальной плоскости НН ОН НН НН НН ОН ДН он он нн он ОН —в вер- вертикальной плоскости, ДН —в го- ризонталь- ризонтальной плос- плоскости НН ОН 0 47X190 0 24X850 0 21X158 0 24X203 0 32/23X194 0 22X142 46X22X98 58X58X70 0 13X129 0 21X146 0 14X22 44X25X190 46X35X187. 38X48X191 0 21X157 16X16X42 48X195 58X66 55X216 0,280 о.ио 0,190 0,250 0,115 0,16 0,21 0,14 0,12 0,08 0,3 3,5 (ком- (комплект) 3,5 (ком- (комплект) 0,013 0,115 0,17 0,23 Для передачи и записи музыки и речи Для передачи музыки и речи с дистанционным выбором характеристики направленности Для передачи музыки и речи и записи 50...16000 НН — ненаправленный; ОН — односторонненаправленный; ОСН — остронаправленный; ДН — двусторонненаправленный То же Для комплектации маг- нитофонов Для встраивания в маг- магнитофоны Для использования в ки- кинематографии Универсальный То же Нагрудный, петличный Универсальный Для записи типа «За круглым столом» Для бытовой аппаратуры Стереофонический для бытовой аппаратуры Универсальный
2 Таблица 5.5. Параметры некоторых типов зарубежных микрофонов to i : Тип микрофона Фирма (страна) Номинальный диапазон частот, Гц о г о рнос «акте в* ев 5е «§ я S*o Я Внутрен- Внутреннее сопро- сопротивление, Ом Чувстви- Чувствительность на частоте 1 кГц при холостом ходе. мВ/Па Сопротив- Сопротивление но- номинальной нагрузки, Ом Разность чув- чувствительное - тей между фронтом н тылом, дБ а S. о ¦ as cs X X Направленные свойства Габаритные размеры, мм Основное назначение н особенности 0-17 0-19 0-20 В 0-25 В 0-24 0-30 0-36 0-45 0-200 0-202 0-224 0-501 0-503 0-505 0-507 0-66 AKG (Австрия) То же 15...14000 30...16000 30... 18000 30... 18000 30...20000 30...16000 30...16000 30...16000 30...17000 20...18000 20. ..20000 50...15000 50...15000 50...15000 50...15000 50...15000 Электродинамические микрофоны 20 18 14 11 18 12 to to 8 7 5 22 22 30 30 22 200 60/200 60/200 60/200 60/200 75/150. 75, 150, 500 75, 150, 500 250 200 250 200 200 200 200 200 2,0 1,0/1,8 0,9/1,6 0,9/1,6 1,0/1,8 1,2 1,2 1,2 1,4 1,8 1,3 2,2 2,2 2 2 2,2 1000 150/400 300/1000 300/1000 150/500 — 500 500 500 400 400 300 300 400 1,8 15 18 18 20 20 20 20 — 20 — — — 8 10 14 14 ' 10 — 10 14 6 6 12 12 10 ОН он он он он он дн нн он, осн дн, нн он, осн, дн, нн он он он ' ОН нн он он он он 0 43,5X106 0 38X152 190X74X54 202X155X75 0 40X156 260X87X63 212X87X63 200X150X88 0 40X1S5 0 51X210 0 25X195 0 55X175 0 55X115 0 55X175 0 55ХИ5 45X75X120 0,3 0,16 0,63 0,85 0,18 1 0,95 1,2 0,3 0,3 0,28 0,34 0,44 0,34 0,44 0,29 Студийный, рече- речевой То же Универсальный Для трансляции Студийный Универсальный То же Для трансляций Универсальный, двухполосный То же » Репортажный, с выключателем на корпусе Репортажный с гибким креплени- креплением То же, специаль- специальный для работы с близкого расстоя- расстояния То же Для стереофони- стереофонической записи по системам MS и XY
D-77A AMD-460 MD-7 MD-14 MD-21 MD-441 F-U5 C-12A C-24 C-28C C-29C C-30C C-60 C-414 M-269C KM-63 F4) KM-66 KM-88 U-47 - U-48 о w AKG (Австрия) «Тесла» (ЧССР) «БЕАГ» (ВНР) То же «Зеннхай- зер» (ФРГ) «Сони» (Япония) AKG (Австрия) То же AKG (Австрия) «Нойман» (ФРГ) То же 80...13000 50...18000 100...10000 100...15000 80...15000 30...20000 40...12000 15 14 — — ,00 10 200 200 300 200 200 200 600 2,2 1.2 1,5 1,5 1,5 2 1 ' — 600 — — — 600 13 14 — 13,5 15 — 5 8 — — — Конденсаторные микрофоны 10... 20000 30...20000 30...18000 30...18000 30...18000 30...18000 20...20000 30...16000 40...18000 40...18000 — 40...16000 35...15000 35...15000 5 15 7 7 7 7 5 7 — 00 00 1 200/50 200/50 200/50 200/50 200/50 200/50 150 200/50 200/50 200/50 200/50 200/50 200/50 4 10 13 12 10 8 6 10/15,5 9 . 10 6,5 25 14 20 500/150 — 500/150 500/150 500/150 500/150 600 1000/250 — — 2000 25 20 20 20 20 20 20 — — — 10 10 10 10 10 10 8 — — — • ОН он он он он осн нн он дн нн он дн он он он он он, осн, дн, нн он, дн, нн он — — он, дн он,дн,нн он _ _ _ он, дн 0 58X138 38X53X77 0 49X60 0 47X200 257X33X36 0 65X250 0 0 0 0 0 0 ,41 ,22 ,11 ,15 ,45 ,27 Для Стереофони- Стереофонической записи га> системе АВ Для озвучания залов Для любитель- любительских магнитофо- магнитофонов Репортажный, ре- речевой Универсальный Студийный То же 40X40X195 0 43X255 0 26X174 0 26X174 0 26X174 0 18X100 45X35X141 0 0 0 0 0 0 21X152 21X124 48X175 21X170 63X240 63X240 0,19 0,65 0,22 0,22 0,22 0,065 0,36 0,12 0,12 0,21 0,13 0,7 0,7 Для трансляций То же Студийный То же Студийный То же, есть пере- переключатель для по- понижения чувстви- чувствительности на 10 дБ То же, переключа- переключатель направленно- направленности находится на корпусе То же Студийный
— Окончание табл. 5.Б Тип микрофона Фирма (страна) Номинальный диапавон частот, Гц 5 ™ tr у m Внутрен- Внутреннее сопро- сопротивление, Ом Чувстви- Чувствительность на частоте 1 кГц при холостом ходе, мВ/Па Сопро- Сопротивление номнналь ной наг- нагрузки , Ом Разность чув ствительнос- тей между фронтом и тылом, дБ ? к Направленные свойства Габаритные размеры, мм Основное назначение и особенности U-64 U-67 U-87 U-89 SM-21C SM-69 SM-69 USM-69 4145 4133 4135 ЕСМ-51 МКЕ-802 МКН-416 МКН-816 МКЕ-212 «Нойман» (ФРГ) То же «Брюль и Кьер» (Дания) То же > «Сони») (Япония) Зеннхай- зер (ФРГ) То же 40...18000 — 30...16000 40...16000 40...18000 40... 15000 40...15000 30...20000 40...16000 3...18000 4,5...40000 4,5... 100000 40...14000 50. /. 15000 40...20000 40. ..20000 20...20000 5 8 8 — ,00 4 4 4 10 12 7 12 10 10 200/50 200/50 200 150 200/50 200/50 200/50 150 — 250 200 8 10 1000 11 22 13 8 8 10 15 15 10 50 12,5 4 2 13 5 20 40 20 — 1000 1000 — 1000 — 3000 300 400 600 4700 10 он он, нн он.нн.дн нн, он, осн, дн он.дн.нн он, дн, нн он.дн.нн он, осн, дн, нн нн нн нн осн осн осн осн нн 0 21X124 0 56X201 0 56X200 0 46X185 0 28X200 0 28X200 0 48X254 0 48X292 0 24X19 0 13X13 0 7X10,5 0 14X486 ?Г 22X292 0 19X235 0 19X555 0 10 0,12 0,54 0,5 0,4 0,5 0,5 0,45 0,51 0,09 0,185 0,16 0,375 Примечание. НН — ненаправленный; ОН — односторонненаправлеаный; ОСН — остронаправленный; ДН — двусторонненаправленный. То же, есть пере- переключатель для по- понижения чувстви- чувствительности на 10 дБ Студийный Студийный То же Стереофонический студийный, пере- переключатель харак- характеристик направ- направленности находит- находится на блоке пита- питания То же Измерительный То же » Репортажный из- избирательный Любительская запись звука Специальный из- избирательный То же ПМЗ-микрофоны
Рис. 5.54. Устройства для крепления микрофонов жестким или амортизированным специальны- специальными резиновыми прокладками и шайбами. Час- Часто механическое соединение комбинируется с шарниром, позволяющим менять угол накло- наклона микрофона в пределах ±45° от горизон- горизонтали. Для микрофонов небольшого размера применяют также стойки типа «гусиная шей- шейка», дающие возможность менять положение микрофона в более широких пределах. На рис. 5.55 показаны распространенные виды крепления и электрического соедине- соединения микрофонов. При эксплуатации микрофонов необходимо применять меры для предохранения от по- повреждений кабелей, которые приходится вре- временно прокладывать в студиях. Микрофоны очень чувствительны к ма- малейшим вибрациям, сотрясениям, толчкам, ко- которые могут возникать в помещении, где уста- установлен микрофон, и передаваться через ограж- ограждающие поверхности (строительные конст- конструкции) и соприкасающиеся с микрофоном предметы (например, стол или штатив). По- Поэтому микрофон должен быть надежно амор- амортизирован. Особенно тщательно следует амор- амортизировать микрофоны, установленные на «журавлях», и те, которые необходимо пере- перемещать (например, в кино и телестудиях при панорамировании). Конденсаторные микрофоны во время ра- работы находятся под напряжением, поэтому двигать, переставлять и переносить их ре- рекомендуется при отключении питания. Рас- Располагать конденсаторные и ленточные мик- микрофоны, их соединительные кабели следует возможно дальше от проводов и кабелей сети переменного тока. Использование микрофонов любого типа на открытых местах или в больших театраль- театральных и концертных залах сопряжено с воз- возможностью появления значительных шумо- шумовых помех. Такие помехи вызываются воздуш- воздушными потоками от ветра, сквозняков, дви- движения больших сценических занавесей и т. п. Особенно опасны воздушные потоки для лен- тсчных микрофонов, которые могут выйти из отроя из-за обрыва или деформации звуко- приемной ленточки. Для защиты применяют противоветровые экраны, надеваемые на зву- коприемную часть микрофонов. Имеется мно- много разновидностей таких экранов, начиная от простого обертывания микрофона несколь- несколькими слоями тонкой и акустически прозрач- прозрачной ткани, чаще всего шелковой или капро- капроновой, и кончая специальными конструкция- конструкциями противоветровых экранов. На рис. 5.56 показаны некоторые такие экраны. Они пред- представляют собой либо проволочный каркас, обтянутый несколькими слоями ткани, либо перфорированные двуслойные оболочки из пластмассы или металлической сеткии между слоями которых проложена минеральная или капроновая вата. Наиболее простым экраном Рис. 5.55. Разъемы и кабели 105
может служить мешочек из поролона толщи- толщиной 3...5 мм. Противоветровый экран не- несколько ослабляет чувствительность микро- микрофонов, главным образом в области высших частот, но специальные материалы и проду- продуманная конструкция таких экранов позво- позволяют сделать это ослабление минимальным. Вместе с противоветровой защитой микро- микрофоны следует предохранять от повышенной влажности. Для этого некоторые противо- ветровые экраны покрывают или пропитывают влагоотталкивающими (кремнийорганически- ми) составами. Имеются также влагозащит- влагозащитные чехлы и футляры, применяемые при ра- работе и хранении микрофонов. По окончании работы на динамические ка- катушечные микрофоны необходимо надеть не- непромокаемый чехол (лучше из полимерной пленки), предохраняющий от попадания пыли и железных опилок. Микрофоны необходимо хранить в помещении с относительной влаж- влажностью воздуха не выше 85 % в отсутствие в нем вредных примесей и при температуре не ниже +5°С. По сравнению с ленточными и конденсаторными динамические микрофоны более устойчивы к сотрясениям, а также к из- изменениям температуры и влажности. Условий эксплуатации и хранения лен- ленточных микрофонов в основном такие же, но наличие, в них тончайшей и свободно висящей ленточки требует еще большей осто- осторожности. Чтобы ленточка не провисла, мик- микрофон следует хранить всегда в футляре, в вертикальном положении на подставке, стой- стойке и тому подобных устройствах. По оконча- окончании работы и выключении питания на конден- конденсаторный микрофон необходимо надеть спе- специальный предохранительный чехол из влаго- влагонепроницаемой ткани или пленки. Следует иметь в виду, что повышенная влажность воз- воздуха вызывает снижение чувствительности и повышение уровня шумов. Именно поэтому конденсаторные микрофоны редко используют для работы на открытом воздухе. При длительных перерывах в работе весь комплект конденсаторного микрофону реко- рекомендуется укладывать в специальный футляр Рис. 5.56. Противоветровые защитные экраны: а — каркасный, б — поролоновый (чемодан). При установке и перевозке мик- микрофоны следует предохранять от ударов и резких сотрясений. Осторожное обращение со всеми микрофо- микрофонами необходимо и во время обычных проб перед работой. Ни в коем случае не следует дуть в микрофон или стучать по его корпусу, достаточно негромко сказать несколько слов на расстоянии 10...15 см от микрофона. В процессе эксплуатации микрофонов не- необходимо систематически (не реже двух раз, в год) проверять их параметры. При этом из- измеряют основные технические показатели микрофона: осевую чувствительность, час- частотную характеристику по фронту и тылу, частотные характеристики с включением кор- корректоров и некоторые другие параметры в соответствии с паспортом или ТУ на микро- микрофон. Одновременно проверяют все соедини- соединительные кабели, питающие устройства, а так- также и другие детали, входящие в комплект мик- микрофона. На рис. 5.57, а приведена схема подключе- подключения розеток радиоприемника, радиолы, маг- магнитолы, магниторадиолы, телевизора, усили- усилителя низкой частоты, а на рис. 5.57, б -*- магнитофона, на который работает микрофон. В случае применения микрофонов производ- производства зарубежных фирм полезно иметь в ви- виду, что международная комиссия рекомен* дует подключение разъема, показанное на рис. 5.58, а, для одноканальных трактов, где / — при симметричном включении —экран, при симметричном с фантомным питанием — экран и минус питания, при несимметричном включении — экран и обратный провод; 2 —. при симметричном и несимметричном вклю- включении без питания — звуковая частота (мик- (микрофон), при включении питания — звуковая частота и плюс питания; 3 — при симмет- симметричном включении без питания — звуковая частота (микрофон), при фантомном пита- . нии — звуковая частота и минус питания; и на рис. 5.58, б — для двухканальных трак- трактов, где / — то же, что и в одноканальных; 2 — при включении без питания — звуко- звуковая частота левого канала (микрофона), при ' включении без питания — звуковая частота левого канала (микрофон) и плюс питания; 3 — при включении без питания — звуковая 'частота левого канала (микрофон), при фан- фантомном питании — звуковая частота левого канала (микрофон) и минус питания; 4—при включении без питания — звуковая частота правого канала (микрофон), при включении с питанием — звуковая частота правого ка- канала и плюс питания; 5 — при включении без питания — звуковая частота правого ка- канала (микрофон), при фантомном питании — звуковая частота (микрофон) и полюс пита- питания, при прямом питании — звуковая ча- частота (микрофон) и минус питания. , При включении замыкание сперва происходит че- через штырь 1. Штырь 2 соединяется с выводом микрофона, имеющим по рекомендации МЭК цветную точку. При включении.на несиммет- несимметричный усилитель симметричного микрофона 106
контакт 3 (или 3 и 5) розетки усилителя сле- следует присоединить к контакту /. Контакты разъема должны быть чистыми, неокисленными во избежание плохого соеди- соединения. Резьба должны быть несорванной и не забитой для того, чтобы разъем мог хоро- хорошо и легко затягиваться для обеспечения хо- хорошего контакта. Если микрофон должен ра- работать на открытом воздухе, то на него наде- надевается ветрозащитное устройство, входящее в его комплект. После этого микрофон уста- устанавливают на стойку, которая имеет огово- оговоренную ГОСТ 9908—75 («Микрофоны. Требо- Требования к механическому креплению») резьбу М16Х1—7Н с Длиной свинчивания 10 мм на высоту, необходимую для предстоящего се- сеанса, и включают в ответную часть кабель- кабельного разъема. Необходимо следить, чтобы микрофонный кабель не был при этом натянут. Лучше, если он лежит свободно, образуя два— три кольца вокруг стойки. Важное значение для практики имеет расстановка микрофонов. В большинстве слу- случаев, за исключением таких, как использова- использование микрофонов на трибуне, в президиуме, перед диктором, в руке и т. п. расстановка их является частью творческого процесса звуко- звукорежиссера, с помощью которого он добивает- добивается задуманного им качества звучания. Тем не менее и инженер, отвечающий за эксплуа- эксплуатацию микрофонного и усилительного обо- оборудования, должен быть знаком хотя бы с основами правильной расстановки. Послед- Последняя заключается в выборе оптимальной уг- угловой ориентации микрофона относительно воспринимаемого источника звука и расстоя- расстояния микрофона от него. Угловая ориентация микрофона опреде- определяется углом, составленным его рабочей осью и направлением на источник звука. Для большинства типов микрофонов при увеличе- увеличении этого угла падают как общая чувстви- чувствительность микрофона, так и в особенности его чувствительность на высоких частотах. Лишь у некоторых типов микрофонов, например дву- сторонненаправленных (восьмерочных) и в меньшей степени односторонненаправленных, чувствительность на высоких частотах изме- изменяется при повороте рабочей оси от направле- направления на источник так же, как и чувствитель- чувствительность на низких частотах. Поэтому микрофо- микрофоны направляются своей рабочей осью не на ис- источник только в тех случаях, когда при пере- передаче надо сделать этот источник, менее гром- громким на фоне звучания других источников или же звучание его надо сделать более мягким и менее четким. Что касается выбора расстояния от источ- источника, то его значение в основном определяется свойствами помещения, в котором находятся микрофоны и источник звука, и свойствами последнего. Акустические процессы в каждой точке по- помещения довольно хорошо определяются аку- акустическим отношением. Восприятие же источ- источника в нем зависит от того, в каком соотноше- соотношении находятся расстояние от источника до Ионо СтервО Моно Стерео вх. Рис. 5.57. Схемы подключения розеток радио- радиоаппаратуры (а) и магнитофонов (б) микрофона и радиус гулкости помещения. Ес- Если расстояние от источника до микрофона меньше радиуса гулкости, то при воспроизве- воспроизведении кажущиеся размеры источника звука больше фактических. При этом создается об- общее впечатление близости и интимности звуча- звучания. При расстоянии микрофона от источника, большем радиуса гулкости, наоборот, раз- размеры источника кажутся меньше фактичес- фактических, а окружающего пространства — больше фактических. Общее впечатление от зву- звучания — «объемность», «воздушность», «мощ- «мощность». При расположении микрофона от ис- источника звука на расстоянии, равном радиусу гулкости, звучание при воспроизведении является промежуточным по сравнению с описанными выше. Для численного определения надлежа- надлежащего расстояния микрофона от источника зву- звука рекомендуется пользоваться эмпирической формулой Рис. 5.58. Микрофонные разъемы для моно- монофонических (а) и стереофонических (б) трак- трактов с видом со стороны штырей 107
где Т — время стандартной реверберации по- помещения, с; V — его объем, м3; k — коэффи- коэффициент объемности звука A0...25 Ддя симфо- симфонического оркестра; 3...12 для малого ор- оркестра, 4... 15 для рояля соло, 1, 2, ... 6 для скрипки и виолончели; 0,5...2,4 для певца солиста и 0,2...0,8 для речи). Меньшие зна- значения k соответствуют крупному плану (рас- (расстояния меньше радиуса гулкости). Вопрос о числе, технических характерис- характеристиках и расстановке используемых при за- записи микрофонов — один из наиболее важ- важных, но вместе с тем и наиболее сложных вопросов, стоящих перед звукорежиссером в процессе его повседневной работы. Практика показала, что часто приводимые в литературе схемы расстановки микрофонов для звукопередачи тех или иных программ не могут быть приняты в качестве какого-то аб- абсолютного рецепта, и, как правило, имеют только информационное значение, позволяя ознакомиться с основными принципами мик- микрофонной работы. Дело в том, что акустичес- акустические параметры студий настолько различны, а задачи звукорежиссеров так многообразны, что в каждом конкретном случае лишь тща- тщательные микрофонные репетиции в том поме- помещении, из которого предполагается произве- произвести запись, могут помочь звукорежиссеру получить желаемые результаты. Разумеется, значительно легче добиться хорошего зву- звучания, имея достаточный опыт эксплуатации данной студии, изучив ее особенности и влия- влияние акустических свойств на звучание раз- различных музыкальных инструментов и ансамб- ансамблей разного состава. Поэтому полезна преемственность в звуко- режиссерской работе, обмен опытом между звукорежиссерами и обобщение опыта при- применительно к конкретным условиям данного радиодома. Вопрос о том, чему отдать предпочтение — одному микрофону {мономикрофонная тех- техника записи) или нескольким, работающим одновременно (полимикрофонная техника), •также не может решаться одинаково во всех случаях. Некоторые специалисты стремятся производить звукозапись даже при крупных исполнительских коллективах, обходясь од- одним микрофоном, способным в некоторых случаях передать естественный тембр зву- звучания, обеспечить хорошую прозрачность, т. е. внятное восприятие отдельных оркест- оркестровых групп, ясность музыкальной фактуры, разборчивость текста. Однако в большинстве случаев при монофонической звукопередаче трудно добиться удовлетворительного музы- музыкального баланса, пользуясь одним микрофо- микрофоном. Причем эта трудность может быть вы- вызвана недостатком акустики студии, качест- качеством исполнения и, наконец, инструментовкой (аранжировкой) данного музыкального про- произведения. Чтобы иметь возможность активно влиять на качество передаваемой звуковой картины, звукорежиссер вынужден обычно устанавли- устанавливать в студии несколько микрофонов (у раз- разных групп исполнителей), для того чтобы по лучить необходимый музыкальный баланс с помощью индивидуальных регуляторов на микшерном пульте. Правда, следует иметь в виду,что при этом звуковой сигнал от одно- одного и того же источника может воздействовать не только на свой близко расположенный микрофон, но и на соседние микрофоны, уста- установленные у других оркестровых групп. Так как расстояния от данного источника звука до разных микрофонов различны, то в этих случаях излучаемые им звуковые колебания придут к микрофонам не одновременно и, следовательно, с разными фазами. Например, если данный источник наряду с прочими гармониками излучает звуковую волну с частотой 100 Гц (что соответствует длине волны X = elf = 340/100 = 3,4 м), то у двух микрофонов, установленных в точках, расположенных друг от друга на расстоянии, равном половине длины волны (т. е. на рас- расстоянии 1,7 мв направлении распространения звука), звуковое давление в каждый момент будет противофазно: максимальное сжатие воздушной среды у одного микрофона и раз- разрежение у другого. Естественно, что и элек- электрические сигналы в цепях этих двух микро- микрофонов окажутся противофазными и после их смешивания в тракте микшерного пульта в результате интерференции колебаний резуль- результирующий сигнал будет существенно ослаб- ослаблен и выпадет из общего спектра звуковой информации. Это послужит причиной иска- искажения тембра звучания. Не следует забывать также, что отражен- отраженные от стен помещения сигналы любого ис- источника звука воздействуют на все установ- установленные в студии микрофоны. Поэтому регули- регулировка уровня (микширование) любого из мик- микрофонных сигналов неизбежно сказывается не только на тембре, но и на звуковых планах всех остальных источников звука. Избежать отмеченных неприятностей, свя- связанных с применением полимикрофонной тех- техники, удается с помощью акустического раз- разделения отдельных исполнителей вместе с мик- микрофонами, установленными в студии для их передачи. При таком акустическом разделении каж* дый отдельный источник звука (или группа звуковых источников) воздействует лишь на один свой микрофон, а к микрофонам, уста- установленным у других исполнителей, его сигнал вовсе не приходит или доходит сильно ослаб- ослабленным. Акустическое разделение осущест- осуществляется с помощью специального размеще- размещения исполнителей, использования односто- ронненаправленных микрофонов, имеющих кардиоидную диаграмму направленности, а также с помощью установки в студии акусти- акустических щитов, оказывающих экранирующее действие и отделяющих одну группу исполни- исполнителей со своими микрофонами от другой. Для работы по такому методу современ- современный» микшерный пульт должен иметь большое число микрофонных входов с возможностью не только раздельной регулировки уровней 108
передаваемых сигналов, но и их дбпблнй- тельной индивидуальной обработки с помо- помощью введения частотной коррекции, ограни- ограничения и компрессирования, использования искусственной -реверберации для получения оптимального акустического баланса и т. д. В качестве примера на рис 5.59 приведена схема расположения исполнителей и микрофо- микрофонов при стереофонической записи оперы—фан- оперы—фантазии М. Равеля «Дитя и волшебство» в ис- исполнении солистов, хора и Большого симфо- симфонического оркестра Всесоюзного радио под управлением Г. Рождественского. Запись происходила в первой студии Государствен- Государственного Дома радиовещания и звукозаписи. На рис 5.59 обозначено: /, 2 и 3 — сдво- сдвоенные микрофоны по системе XY; 4 — дву- сторонненаправленный микрофон, подклю- подключавшийся в определенные моменты времени к левому каналу; 5 — двусторонненаправ- ленный микрофон, использовавшийся для реверберирования певцов — солистов и ор- оркестра; 6 — кардиоидный микрофон для ре- реверберирования хора; 7—кардиоидный микро- микрофон для реверберирования преимущественно левой части оркестра; # и 9 — кардиоидная микрофонная пара по системе АВ. Справа и несколько сзади дирижера на- находились челеста и фортепиано с важными по своему значению сольными партиями. Слева и несколько сзади, располагались со- солисты. Сзади дирижера (у правой стены студии), с некоторым отрывом от оркестра рас- располагался на подставках небольшой хор (око- (около 45 человек), развернутый лицом на дири- дирижера. Такое расположение хора определялось трудностью достижения необходимого ансамб- ансамбля в иных условиях. За медной группой ин- инструментов находился электромузыкальный инструмент «экводин», на котором исполня- исполнялась партия кулисной флейты в начале вто- второй картины оперы (в саду); Микрофоны, рас- расположенные по обе стороны сзади дирижёра, были включены по системе АВ и восприни- воспринимали все звучание оркестра. В некоторых эпи- эпизодах, где солировали челеста и фортепиано, подключался на левый канал микрофон с «вось мерочной» характеристикой направленности, Большой /~~\ /"*ч . . . барабан (J) ^кбодин Рис. 5.59. Расположение исполнителей и мик- микрофонов при стереофонической записи оперы нацеленный одним «лепестком» на скрипки, а вторым на челесту и фортепиано; в этих слу- случаях фортепиано смещалось к центру звуко- звуковой картины (что соответствовало замыслу зву- звукорежиссера); ось наименьшей чувствитель- чувствительности микрофона была направлена на правую сторону оркестра. Перед солистами находился сдвоенный мик- микрофон с кардиоидными характеристиками, направленный осями максимальной чувст- чувствительности под углом 90° относительно друг друга; причем микрофон, включенный на левый канал, был ориентирован в сторону ле- левой части оркестра (на скрипки), иначе лока- локализация в оркестре была бы нарушена. РАЗДЕЛ 6 ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ И ТЕЛЕФОНЫ 6.1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ Громкоговоритель и телефон —это уст- устройства для преобразования электрических колебаний в звуковые, акустические колеба- колебания воздушной среды. Поскольку громкого- громкоговорители и телефоны являются последними звеньями любого радиовещательного (звуко- (звуковоспроизводящего) тракта или линии связи, то их свойства оказывают решающее влия- влияние на его качество работы в целом. По способу преобразования громкоговори- громкоговорители и телефоны подразделяются на электро- электромагнитные1" (в основном телефоны), электро- * Электромагнитные громкоговорители получили широкое распространение в 30-х 109
Дйнамйчёёкйё катушечные; изодинамические, электростатические, пьезоэлектрические и не- некоторые другие. По виду излучения звука ГрЬмКоГоворители подразделяют на громко- Говёрители непосредственного излучения (диф- фузормые, куполообразные, ленточные) и ру- рупорные. Различают громкоговорители по потребляемой электрической мощности (мощ- (мощные, маломощные), а также и по чувствитель- чувствительности. Следует отметить, что диффузорные гром- громкоговорители без внешнего акустического оформления (так называемые головки гром- громкоговорителей) по причинам, излагаемым ни- ниже, нуждаются во внешних оформлениях, совместно с которыми, а Также с такими пас- пассивными элементами, как трансформаторы, разделительные фильтры, аттенюаторы, об- образуют акустические излучающие системы. Последние обычно и называют громкоговори- громкоговорителями или акустическими системами. Для озвучания и звукоусиления применяют груп- групповые излучатели — звуковые колонки. Поскольку телефоны предназначены для работы непосредственно на объем слухового канала и не являются излучающими система- системами, то их характеристики несколько отлича- отличаются от характеристик громкоговорителей. Громкоговорители характеризуются зна- значительно большим числом параметров. ГОСТом 16122—84 (Громкоговорители, Мето- Методы электроакустических измерений) уста- установлены определения характеристик громко- громкоговорителей и терминов, к ним относящихся, наиболее употребительные из которых при^ ведены ниже. Громкоговоритель — устройство для эф- эффективного излучения звука в окружающее пространство в воздушной среде, содержащее одну или несколько головок, громкоговори- громкоговорителей, необходимое акустическое оформле- оформление, необходимые электрические устройства (фильтры, трансформаторы, регуляторы и т. п.). Пассивный громкоговоритель — громкого- громкоговоритель, не увеличивающий энергию электри- электрического сигнала, поступающего на вход. Головка громкоговорителя — пассивный электроакустический преобразователь, пред- предназначенный для преобразования сигналов звуковой частоты из электрической формы в акустическую. Акустическое оформление — конструктив- конструктивный, элемент громкоговорителя, обеспечи- обеспечивающий эффективное излучение звука (акус- (акустический экран, ящик, рупор и т. п.). годах вместе с развитием проводного радио- радиовещания. Однако они не отвечали возрастаю- возрастающим требованиям к качеству звучания по ширине полосы эффективно воспроизво- воспроизводимых частот, нелинейным искажениям и по свойственном таким громкоговорителям тональной окраске звука и были сняты с производства после Великой Отечественной войны. Однополосный громкоговоритель — гром- громкоговоритель, все головки которого работа- работают в одном и том же диапазоне частот. Многополосный громкоговоритель — гром- кбговоритель, головки которого работают в двух или более разных диапазонах частот. Абонентский громкоговоритель — гром- громкоговоритель, предназначенный для воспро- воспроизведения передач низкочастотного канала: сети проводного вещания. Рупорный громкоговоритель — громко- громкоговоритель, акустическим оформлением ко- которого является жесткий рупор. Звуковая колонка -г- громкоговоритель с отличающейся направленностью звукоизлуче- ния в различных плоскостях, содержащий по крайней мере одну линейную цепочку одно- однотипных громкоговорителей или головок гром- громкоговорителей и предназначенный для озву- озвучения помещений и открытых пространств. Акустическая система — громкоговори- громкоговоритель, предназначенный для использования в качестве компонента в бытовой радиоэлект- радиоэлектронной аппаратуре. Открытая акустическая система — акус- акустическая система, в которой влияние упругос- упругости воздуха в объеме акустического оформле- оформления пренебрежимо мало, а излучения перед- передней и тыльной сторон подвижной системы го- головки громкоговорителя не изолированы друг от друга в области низких частот. Закрытая акустическая система — акус- акустическая система, в которой упругость возду- воздуха в объеме акустического оформления соиз- соизмерима с упругостью подвижной системы го- головки громкоговорителя, а излучения перед- передней и тыльной сторон подвижной системы изолированы друг от друга во всем диапазоне частот. Широкополосная головка громкоговорите- громкоговорителя — головка, предназначенная для одно- однополосного громкоговорителя. Узкополосная головка громкоговорителя — головка, предназначенная для многополосно- многополосного громкоговорителя, которая может быть низкочастотной, среднечастотной или высоко- высокочастотной. Рабочая плоскость — плоскость излучаю- излучающих отверстий головок громкоговорителей. Если рабочая плоскость не указана в норма- нормативно-технической документации на данный громкоговоритель, то для громкоговорителя^ содержащего несколько излучающих отвер- отверстий, не лежащих в одной плоскости, за ра- рабочую плоскость принимается та, на которой расположены излучающие отверстия высоко- высокочастотных головок многополосного гром- громкоговорителя или большинство излучающих отверстий однополосного громкоговорителя. Рабочий центр — точка, лежащая на ра- рабочей плоскости от которой производится отсчет расстояния от громкоговорителя. Если рабочий центр не указан в документации, то за 'него следует принимать: геометрический цент^р симметрии излучающего отверстия — для громкоговорителя, имеющего одно излу- излучающее отверстие; геометрический центр сим-
метрий излучающих отверстий или проекций этих отверстий на рабочую плоскость — для однополосного громкоговорителя; гео- геометрический центр симметрии излучающих отверстий высокочастотных головок громко- громкоговорителей — для многополосного громко- громкоговорителя. Рабочая ось — прямая, проходящая через рабочий центр громкоговорителя и перпенди- перпендикулярная к рабочей плоскости. Номинальное электрическое сопротивле- сопротивление — заданное в нормативно-технической документации активное сопротивление, кото- которым замещают сопротивление громкоговори- громкоговорителя при определении подводимой к нему электрической мощности. Минимальное зна- значение модуля полного электрического сопро- сопротивления громкоговорителя в заданном диапа- диапазоне частот не должно быть менее 0,8 RHOm- , Номинальная мощность — заданная элек- электрическая мощность, при которой нелинейные искажения громкоговорителя не должны пре- превышать требуемые. Максимальная шумовая мощность — элек- электрическая мощность специального шумового сигнала в заданном диапазоне частот, кото- которую громкоговоритель длительно выдержи- выдерживает без тепловых и механических повреж- повреждений. Максимальная шумовая мощность должна быть не менее номинальной мощнос- мощности. Максимальная синусоидальная мощность — электрическая мощность непрерывного си- синусоидального сигнала в заданном диапа- диапазоне частое которую громкоговоритель дли- длительно выдерживает без тепловых и меха- механических повреждений. Максимальная сину- синусоидальная мощность должна быть не ме- менее номинальной мощности. Для многополос- многополосного громкоговорителя может быть указано несколько максимальных синусоидальных мощностей, дсаждая для своей полосы частот. Максимальная кратковременная мощ- мощность — электрическая мощность специаль- специального шумового сигнала в заданном диапазоне частот, которую громкоговоритель выдержи- выдерживает без необратимых механических повреж- повреждений в течение 1 с (испытания повторяют 60 раз с интервалом 1 мин). Максимальная крат- кратковременная мощность должна быть не менее максимальной шумовой мощности громкого- громкоговорителя. Максимальная долговременная мощность — электрическая мощность специального шумо- шумового сигнала в заданном диапазоне частот, ко- которую громкоговоритель выдерживает без не- необратимых механических повреждений в те- течение 1 мин (испытания повторяют 10 раз с интервалом в 2 мин). Максимальная долго- долговременная мощность должна быть не менее максимальной шумовой мощности громкого- громкоговорителя . Частота основного резонанса головки гром- громкоговорителя — частота возбуждающего си- синусоидального сигнала, при которой значение модуля полного электрического сопротивле- сопротивления головки громкоговорителя имеет свой первый максимум (при возрастающей часто- частоте. См. рис. 6.1). Частота основного резонанса может быть указана и для громкоговорителя. Добротность головки громкоговорителя — отношение инерционной (упругой) составляю- составляющей механического сопротивления подвижной системы головки громкоговорителя на частоте основного резонанса к активной составляющей (мера затухания свободных колебаний по- подвижной системы головки громкоговорителя). Механическая добротность головки гром- громкоговорителя — добротность, обусловленная потерями в механических элементах подвиж- подвижной системы головки громкоговорителя (доб- (добротность при отсутствии тока в электрической цепи головки громкоговорителя). Электрическая добротность головки гром- громкоговорителя — добротность, обусловленная наличием тока противо-ЭДС в электрической цепи головки громкоговорителя. Полная добротность головки громкогово- громкоговорителя — добротность головки громкого- громкоговорителя, обусловленная суммарным влия- влиянием механических потерь и тока противо- ЭДС в электрической цепи головки. Эквивалентный объем головки громкогово- громкоговорителя — закрытый объем воздуха, имеющий акустическую гибкость, равную гибкости по- подвижной системы головки громкоговорителя. Полярность головки громкоговорителя—оп- громкоговорителя—определенная полярность электрического на- напряжения на выводах головки громкоговори- громкоговорителя, вызывающая движение подвижной сис- системы головки в заданном направлении. По- Полярность многополосного громкоговорителя определяется по полярности низкочастотной головки громкоговорителя. Номинальный диапазон частот — диапа- диапазон частот, в котором заданы электрические и электроакустические характеристики гром- громкоговорителя. Частотная характеристика по звуковому давлению — графическая или численная за- зависимость от частоты уровня звукового дав- давления, развиваемого громкоговорителем в оп- определенной точке свободного поля, находя- находящейся на определенном расстоянии от рабо- рабочего центра, при постоянном значении напря- напряжения на выводах громкоговорителя. Среднее звуковое давление — среднеквад- среднеквадратичное значение звукового давления, раз- развиваемого громкоговорителем в заданных диа- диапазоне частот и точке свободного поля при подведении к нему напряжения, соответст- соответствующего заданной электрической мощности. Усреднение проводится по .значениям звуко- звукового давления на частотах (в полосах частот), распределенных равномерно в логарифмичес- логарифмическом масштабе. Характеристическая чувствительность — среднее звуковое давление, развиваемое гром- громкоговорителем в заданном диапазоне частот на рабочей оси, приведенное к расстоянию 1 м от рабочего центра и проводимой элек- электрической мощности 1 Вт. Уровень характеристической чувствитель* ности — 20-кратный десятичный логарифм 111
бтнОшеНия характеристической чувствитель- чувствительности к чувствительности 2 • 10~6 Па • Вт''» Среднее стандартное звуковое давление — среднее звуковое давление, развиваемое гром- громкоговорителем в заданном диапазоне частот на рабочей оси, приведенное к расстоянию 1 м от рабочего центра и подводимой элек- электрической мощности 0,1 Вт. Характеристическая мощность — элек- электрическая мощность, которую необходимо подвести к громкоговорителю с тем, чтобы обеспечить номинальное среднее звуковое давление, равное 1 Па. Неравномерность частотной характерис- характеристики звукового давления — разность макси- максимального и минимального значений уровней звукового давления (отношение максималь- максимального звукового давления к минимальному, выраженное в децибелах) в заданном диапа- диапазоне частот. Пики и провалы частотной ха- характеристики уже 1/8 октавы не учитываются. Типовая частотная характеристика — графическая зависимость уровня звукового давления от частоты с обозначенным полем допускаемых отклонений и уровнем среднего звукового давления в заданном диапазоне частот, нанесенным в виде прямой горизон- горизонтальной линии. Диапазон воспроизводимых частот — диа- диапазон частот, внутри которого частотная ха- характеристика звукового давления, усреднен- усредненная в l/З октавных полосах, не выходит за пределы поля допусков. Диаграмма направленности — графичес- графическая зависимость в условиях свободного поля уровня звукового давления для данных час- частоты (полосы частот) и расстояния от рабочего центра'громкоговорителя от угла между ра- рабочей осью громкоговорителя и направлением в точку измерения. Коэффициент направленности — отно- отношение звукового давления, измеренного под заданным углом относительно рабочей оси, к звуковому давлению на рабочей оси для одной и той же частоты (полосы частот) и при одном и том же расстоянии от рабочего центра громкоговорителя. Индекс направленности — 20-кратный де- десятичный логарифм коэффициента направлен- направленности . Угол излучения — угол, в пределах кото- которого коэффициент направленности не меньше 0,5. Коэффициент осевой концентрации — от- отношение квадрата значения звукового давле- давления, измеренного, на данной частоте (полосе частот) в условиях свободного поля на рабочей оси на заданном расстоянии от рабочего цент- центра громкоговорителя, к среднему по сфере, в центре которой находится рабочий центр громкоговорителя, квадрату значения звуко- звукового давления, измеренному при тех же усло- условиях и на том же расстоянии от рабочего цент- центра. Индекс осевой концентрации — 10-крат- 10-кратный десятичный логарифм коэффициента осе- осевой концентрации. Средняя акустическая мощность — среД- нее арифметическое значение акустической мощности, излучаемой громкоговорителем в определенном диапазоне частот. Усреднение проводится по значениям акустической мощ- мощности на частотах (в полосах частот), распре- распределенных равномерно в логарифмическом масштабе. * Приведенный коэффициент полезного дей- действия — отношение акустической мощности, излучаемой громкоговорителем на данной час- частоте (полосе частот), к проводимой электри- электрической мощности. Коэффициент гармоник п-го порядка — от- отношение, выраженное в процентах эффектив- эффективного значения звукового давления сигнала, содержащего частоту возбуждения и все ее гармоники при возбуждении громкоговори- громкоговорителя синусоидальным сигналом. Суммарный коэффициент гармоник — ко- корень квадратный из суммы квадратов коэф- коэффициентов гармоник всех порядков. Коэффициент интермодуляционных иска- искажений п-го порядка — отношение, выраженное в процентах, эффективного значения звуко- звукового давления суммы спектральных компо- компонент с частотами /2 ± (п — 1) /х к звуковому давлению на частоте /2, где п — любое целое число, кроме единицы; Д и /2"— частоты под- подводимого к * громкоговорителю сигнала Суммарный коэффициент интермодуля- интермодуляционных искажений — корень квадратный из суммы квадратов коэффициентов интермоду- интермодуляционных искажений всех порядков. Призвук — нелинейные искажения, возни- возникающие при возбуждении громкоговорителя синусоидальным сигналом. Субъективно (на слух) воспринимается как тон (группа тонов), звучащий одновременно с тоном частоты воз- Суждения. Дребезжание — нелинейные искажения, возникающие при возбуждении синусоидаль- синусоидальным сигналом громкоговорителя, имеющего механические дефекты. Субъективно (на слух) воспринимается как неприятный звук, не имеющий выраженной тональной окраски. Может показаться, что в стандарте гром- громкоговоритель характеризуется излишне боль- большим числом параметров, однако это не так. Ведь стандарт рассчитан не только на потре- потребителей, но и на разработчиков головок гром- громкоговорителей и акустических систем. Ряд па- параметров всей выпускаемой продукции конт- контролируют в процессе производства, а ряд па- параметров, проверка которых связана с боль- большой затратой времени, превышающей время выпуска одного изделия, контролируют выбо- выборочно из партий изделий, выпущенных раз- разными сменами. Среди перечисленных имеются параметры, которые контролируются в основ- основном на стадии разработки головок громкого- громкоговорителей. Параметры, которые принято счи- считать важнейшими для потребителя, должны приводиться в паспорте на головку громкого- громкоговорителя или акустическую систему. Поясним кратко значение некоторых параметров, 112
Номинальное электрическое сопротивле- сопротивление, максимальная шумовая мощность и уро- уровень характеристической чувствительности определяют тип усилителя звуковых частот, с которым может работать данная головка громкоговорителя .или акустическая система; частота основного резонанса, наряду со зна- значением полной добротности *головки громко- громкоговорителя, определяет низшую эффективно воспроизводимую частоту; эквивалентный объ- объем головки громкоговорителя определяет объ- объем акустического оформления, т. е. геометри- геометрические размеры корпуса громкоговорителя, что во всех случаях является важным потре- потребительским параметром; электрическую эконо- экономичность громкоговорителя определяет зна- значение характеристической мощности, кото- которая обратно пропорционально связана с уровнем характеристической чувствитель- чувствительности. Понижение чувствительности на 3 дБ влечет удвоение характеристической мощнос- мощности, т. е. и мощности усилителя от которого работает громкоговоритель. Важнейшим параметром громкоговорителя является его частотная характеристика по звуковому давлению и ее неравномерность. Чем меньше неравномерность частотной харак- характеристики, тем выше качество звучания гром- громкоговорителя при равных прочих параметрах. Применительно к головкам громкоговорителей рекомендация стандарта о неучете пиков и провалов уже 1/8 октавы не является про- прогрессивной, поскольку наличие на частотной характеристике головки громкоговорителя пиков и провалов свидетельствует о недоб- недоброкачественном выполнении диффузора, о на- наличии в нем стоячих волн, т.е. о недоработке головки громкоговорителя. Стандарт должен быть всегда прогрессивным и призван спо- способствовать повышению качества продукции. Аналогичное замечание можно сделать и к формулировке эффективно воспроизводимого диапазона частот, в которой, по существу, за- заложена допустимость неравномерности частот- частотной характеристики 10 дБ. Что касается не- нелинейных и интермодуляционных искажений, то они должны быть не выше указанных в специальных стандартах, а такие параметры, как призвук или дребезжание, отсутствуют во- вообще у громкоговорителей, прошедших ОТ К, их наличие свидетельствует о неисправности громкоговорителя. 6.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕЛЕФОНОВ И ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ Для электромагнитного способа преобра- преобразования коэффициент электромеханической связи К = B0Q(o/6, где В^ — постоянная ин- индукция в зазоре между полюсными наконеч- наконечниками B) и якорем / (диафрагмой); б — толшина этого зазора; Q — его сечение; <й — число витков катушки, надетой на магнито- провод (см. рис. 5.6 б, § 4.4 и 5.3). Частотная характеристика чувствительности1 электро- электромагнитного громкоговорителя, под которой понимают отношение развиваемого им на рас- расстоянии 1 м по его оси звукового давления к подводимому к нему напряжению, может быть выражена как U У8"я Здесь р — плотность воздуха; S — пло- площадь диффузора; Z3 — электрическое сопро- сопротивление громкоговорителя; zM — механичес- механическое сопротивление его подвижной системы (якорь с диффузором). Приведенное выра- выражение справедливо только для поршневого диапазона, верхняя граница которого /гр = — c/~\/2nS. Предполагается далее, что гром- громкоговоритель колеблется в бесконечной сте- стене и излучение его ненаправленно. Если нижней граничной частотой, воспро- воспроизводимой этим громкоговорителем, считать его резонансную частоту, то zM = (am, где т—масса подвижной системы. Электричес- Электрическое сопротивление этого громкоговорителя имеет индуктивный характер, откуда Z3 « « (oL, где L — индуктивность громкоговори- громкоговорителя. При сделанных допущениях р/С V8 я Как видно, даже в пределах поршневого диапазона чувствительность падает с частотой. Эта тенденция в известной степени компен- компенсируется тем, что с, повышением частоты на- направленность обостряется и, таким образом, излучение концентрируется на оси. Чувст- Чувствительность громкоговорителя еще больше падает ниже частоты резонанса механической системы из-за того, что механическое сопро- сопротивление, имея упругий характер, увеличи- увеличивается с понижением частоты, а выше порш- поршневого диапазона из-за того, что при повыше- повышении частоты диффузор перестает колебаться как целое. Кроме того, электромагнитной сис- системе свойственны большие, в том числе специ- специфические для нее, нелинейные искажения по второй гармонике, обусловленные тем, что сила притяжения якоря (диафрагмы) пропор- пропорциональна не индукции, а ее квадрату. С этим борются наложением постоянного потока на 1 Для электромагнитного (и электростати- электростатического) громкоговорителя нельзя пользо- пользоваться понятием характеристической чувст- чувствительности, поскольку при постоянном под- подводимом напряжении мощность меняется с частотой из-за того, что сопротивление, громкоговорителя реактивно. 113
переменный магнитный и применением диф- дифференциальной конструкции. Неблагоприятен и тот факт, что электри- электрическое сопротивление громкоговорителя силь- сильно зависит от частоты (Za = coL). Таким образом, качественные показатели электромагнитного громкоговорителя неудов- неудовлетворительны. Этим объясняется то, что громкоговорители данного вида в настоящее время повсеместно вышли из употребления. Электромагнитные же телефоны остались до- довольно широко распространенными из-за своей простотыл прочности. Частотные искажения в них меньше, чем в громкоговорителях, так как диафрагма колеблется как поршень. А так как их применяют только для передачи речи, то и требования к ним менее жесткие, чем для передачи художественных программ. В диапазоне низких частот, где параметры механической системы телефона, а также пара-* метры механического сопротивления, которое ухо оказывает приложенному к нему телефо- телефону, можно считать сосредоточенными, чувст- чувствительность последнего выражается в виде фузор которого колеблется в бесконечной сте- стене, могут быть выражены соответственно: К j(ocB где, помимо введенных выше обозначений, 1Ъ — электрическое сопротивление телефона, zT — механическое сопротивление его подвиж- подвижной системы; св — гибкость воздуха в объеме под диафрагмой с площадью S телефона, при- приложенного к уху. Как видно, чувствительность телефона бу- будет частотно-независимой, если его механиче- механическое сопротивление чисто упругое, а электри- электрическое — активное. Если первое достижимо путем расположения резонанса диафрагмы вы- выше воспроизводимого диапазона, то второе условие обеспечить нельзя, поскольку элек- электрическое сопротивление телефона индуктив- индуктивно. Таким образом, чувствительность телефона по напряжению частотно-зависима, а по отда- отдаче мало зависит от частоты, если внутреннее сопротивление выходного каскада усилителя или линии активное и равно модулю сопротив- сопротивления телефона на частоте 1000 Гц. Подавляющее число типов громкоговори- громкоговорителей и многие, типы телефонов построены на основе использования магнитоэлектрического принципа преобразования, получившего в электроакустике наименование электродина- электродинамического. Исходя из формулы для электродинамичес- электродинамической системы коэффициент электромеханичес- электромеханической связи К = В1, где В — индукция по- постоянного потока в воздушном зазоре / маг- магнитной цепи; / — длина проводника катушки 3 (см. рис. 5.6, в, § 4.4 и 5.3). Коэффициент полезного действия х\ и стан- стандартное звуковое давление рст (давление на расстоянии 1 м от громкоговорителя по на- направлению его рабочей оси при подведении мощности 0,1 Вт) для громкоговорителя, диф- 2ncRm* т» кр 2лт 2ят Рэ Здесь помимо введенных выше обозначений, R — электрическое активное сопротивление громкоговорителя; m — масса подвижной сис- системы громкоговорителя; V — объем проводни- проводника звуковой катушки; рэ — удельное элек- электрическое сопротивление проводника звуко- звуковой катушки. Эти выражения справедливы в диапазоне частот, нижняя граница которого — резонанс- резонансная частота, а верхняя — нижняя граница поршневого диапазона, равная, как уже упо- упоминалось, /гр = c/~[/2jiS. Ниже резонанс- резонансной частоты звуковое давление и КПД очень сильно убывают. Выше /гр диффузор переста- перестает колебаться как целое и части его колеблют- колеблются с разными фазой и амплитудой. Поэтому звуковое давление от него то увеличивается на тех/частотах, где вся лли большая часть по- поверхности диффузора и подвеса колеблется синфазно, то уменьшается, когда части поверх- поверхности диффузора и подвеса колеблются проти- вофазно. Рассмотрим особенности работы диффузо- диффузора широкополосной головки громкоговори- громкоговорителя на различных частотах. В области низких частот скорость изменения фазы сигнала в зву- звуковой катушке меньше скорости распростра- распространения механического возбуждения в материя ¦ ле диффузора и последний ведет себя как еди- единое целое, т. е. колеблется как поршень. На этих частотах частотная характеристика гром- громкоговорителя имеет гладкую форму, что сви- свидетельствует об отсутствии парциального воз- возбуждения отдельных участков диффузора. Обычно разработчики головок громкого- громкоговорителей стремятся расширить область порш- поршневого действия диффузора в сторону высо- высоких частот путем придания специальной фор- формы образующей конуса. Для правильно сконструированного целлюлозного диффузо- диффузора область поршневого действия может быть приблизительно определена как длина волны звука, равная длине окружности диффузора в основании конуса. На средних частотах ско- скорость изменения фазы сигнала в звуковой ка- катушке превышает скорость распространения механического возбуждения в материале диффузора и в нем возникают волны изгиба, диффузор уже не колеблется как единое це- целое. На этих частотах показатель затухания механических колебаний в материале диффу- диффузора еще недостаточно велик и колебания, достигая диффузородержателя, отражаются от него и распространяются по диффузору обратно в сторону звуковой катушки. В результате взаимодействия, прямых и отраженных колебаний в диффузоре возни- 114
кает картина стоячих волн, образуются участ- участки с интенсивным противофазным излучением. При этот на частотной характеристике на- наблюдаются резкие нерегулярности (пики и провалы), размах которых может достигать у неоптимально сконструированного диффузо- диффузора десятка децибел. На высоких частотах показатель затухания механических колебаний в метериале диффу- диффузора возрастает и стоячие волны не образуют- образуются. Вследствие ослабления интенсивности механических колебаний, излучение высоких частот происходит преимущественно областью диффузора, прилегающей к звуковой катуш- катушке. Поэтому для увеличения воспроизведения высоких частот применяют рупорки, скреп- скрепленные с подвижной системой головки гром- громкоговорителя. Для уменьшения неравномер- неравномерности частотной характеристики в массу для изготовления диффузоров головок Громко- Громкоговорителей вводят различные демпфирующие (увеличивающие затухание механических ко- колебаний) присадки. Что касается нелинейных искажений, то основными причинами их яв- являются: во-первых, нелинейная зависимость деформации (сжатия и растяжения) подвеса диффузора и центрирующей шайбы от при- приложенной силы; во-вторых, неоднородность магнитного поля в воздушном зазоре, так как магнитная индукция больше в середине зазора и меньше у краев. А это, в свою оче- очередь, приводит к тому, что при одной и той же величине тока в звуковой катушке сила, дей- действующая на нее, различна в зависимости от того, вся ли катушка или часть ее находится внутри зазора. В первом случае витки ка- катушки пронизываются полным магнитным по- потоком зазора, во-втором — лишь частью его. Таковы причины нелинейных искажений гром- громкоговорителей в области низких частот, об- области основного резонанса подвижной сис- системы, где они достигают своего максимума вследствие максимальных амплитуд колебаний диффузора. На средних и высоких частотах искажения обусловлены другими причинами, поскольку амплитуда колебаний диффузора здесь ничтожна и измеряется десятыми до- долями миллиметра. - Одной из причин нелинейных искажений является нелинейное взаимодействие тока звуковой катушки с металлическими деталя- деталями магнитопровода — керном и верхним флаи- цем (см. рис. 6.15, а). В этих деталях, распо- расположенных вблизи звуковой катушки, возни- возникают токи Фуко, которые, в свою очередь, на- наводят ЭДС в звуковой катушке. Из-за свойства металла деталей магнитопровода это взаимо- взаимодействие имеет нелинейный характер. Мето- Методы борьбы с токами Фуко известны и могу г, например, заключаться в уменьшении элек- электрической проводимости частей деталей маг- магнитопровода, прилегающих к звуковой ка- катушке. Два других вида искажений, которые, строго говоря, нельзя называть нелинейными, связаны со свойствами материала диффузора. При существующей методике измерения не* линейных искажений, когда подавляется из- излучаемый громкоговорителем основной тон и регистрируются все остальные тоны, такие искажения квалифицируются как нелинейные. Искажения первого типа являются следствием . возбуждения в материале диффузора так на- зываемого структурного, призвука, имеющего более или менее равномерный спектр. Такие искажения наиболее значительны в недоста- недостаточно демпфированном диффузоре и возника- возникают как отклик на механическое возбуждение, источником которого является звуковая ка- катушка. Этот вид искажений придает звучанию громкоговорителя характерную тональную окраску, свойственную громкоговорителю дан- данного типа. Искажения второго типа зависят от интенсивности стоячих волн, возникающих в диффузоре, причина появления которых рас- рассмотрена выше. Интенсивные стоячие волны приводят к образованию участков диффузора, способных излучать звук на собственных час- частотах. Излучения участков диффузора также квалифицируются как нелинейные искажения, и они могут в несколько раз превышать пер- первый тип искажений. Отсюда становится оче- очевидным путь борьбы с такими искажения- искажениями, заключающийся в снижении интенсив- интенсивности отраженной от диффузородержателя составляющей механических колебаний и обес- обеспечения режима бегущей волны в диффузоре. Диффузоры высококачественных головок гром- громкоговорителей обычно выполняют с подкле- подклеенным верхним подвесом и воротником, из- изготовляемыми отдельно из метариала с боль- большим показателем затухания механических ко- колебаний. Такие головки имеют более высокую стоимость и менее технологичны в производ- производстве по сравнению с массовыми головками громкоговорителей, диффузор которых изго- изготовляют вместе с верхним подвесом и ворот- воротником. Другой недостаток головок с подкле- подклеенным верхним подвесом — более низкая их чувствительность, обусловленная меньшей ра- радиальной жесткостью подклеенного подвеса и возникающей опасностью затирания звуко- звуковой катушки в зазоре. Эта опасность вынуж- вынуждает разработчиков применять более широкий воздушный зазор с соответствующим сни- снижением индукции магнитного поля. Причиной затирания звуковой катушки является спи- спиралевидная форма намотки ее витков и свя- связанная с ней тангенциальная составляющая силы Лоренца. У низкочастотных головок громкоговорителей применение особо гибкого верхнего подвеса позволяет, помимо ослаб- ослабления отраженных от диффузородержателя механических колебаний, получать более низкую резонансную частоту. Для массовых широкополосных и среднечастотных головок громкоговорителей снижение интенсивности отраженных от диффузородержателя состав- составляющих и обеспечение режима бегущей волны могут быть достигнуты нанесением вибропогло- щающей незасыхающей мас"тики на часть верх- верхнего подвеса, не входящую в динамическую массу диффузора. Действие нанесенного слоя мастики, как и подклеенного подвеса, заклю- заключается в том, что пропитанный мастикой учас- 115
ток верхнего подвеса значительно изменяет свои свойства, в результате чего резко воз- возрастают потерн для распространяющихся в направлении диффузородержателя механи- механических колебаний. Нанесение вибропогло- щающей мастики позволяет значительно уменьшать неравномерность частотной ха- характеристики в области средних частот и по- понижать искажения головок громкоговори- громкоговорителей. Для повышения эффективности громко- громкоговорителей вместо катушек из медного про- провода делают их из алюминиевого,1 что позво- позволяет уменьшать массу подвижной системы — такие легкие катушки применяют преимущест- преимущественно для малогабаритных широкополосных, а также для среднечастотных и высокочастот- высокочастотных головок громкоговорителей. С целью даль- дальнейшего повышения КПД применяют также намотку звуковых катушек проводом не круг- круглого, а прямоугольного сечения. Увеличение эффективности обусловлено увеличением объ- объема проводника в зазоре магнитной системы. Наиболее эффективным способом расшире- расширения диапазона воспроизводимых частот явля- является разделение его на части с тем, чтобы каждая из этих частей воспроизводилась от- отдельной головкой громкоговорителя, боль- большей по размерам для низкочастотной облас- области и меньшей для высокочастотной. Подклю- Подключают эти головки через так называемые раз- разделительные фильтры, обеспечивающие попа- попадание на данную головку напряжения только тех частот, для воспроизведения которых она предназначена. Выбор частот раздела, а так- также крутизны разделительного фильтра су- существенно влияют на качество звучания гром- громкоговорителя. Поэтому при конструировании акустических систем субъективная оценка ка- качества звучания является основным критери- критерием передачи их в производство. Качество зву- звучания акустической системы [6.7] должно быть не хуже образца по качеству звучания, ут- утвержденного в установленном порядке, для каждой группы сложности. Качество звуча- звучания проверяется по ТУ. Телефоны, построенные на электродина- электродинамическом способе преобразования, распро- распространены меньше электромагнитных. Их основ- основное назначение — прослушивание стереофо- стереофонических передач и контроль при киносъемках и звукозаписи. По конструкции они разделя- разделяются на диффузорные и капсюльные. В первых основой конструкции является небольшой диффузорный громкоговоритель, заключен- заключенный в корпус; во-вторых — небольшая маг- магнитная система с подвижной катушкой и купо- куполообразной диафрагмой. Качество звучания капсюльных телефонов выше, чем диффузорных, и их удается изго- изготовлять очень миниатюрными (при сохране- сохранении высокого качества звучания). В качестве примера можно привести основные пара- параметры микроминиатюрных телефонов типа ТДС-22. При диаметре корпуса 15 мм и массе постоянного магнита всего 0,25 г эти телефоны обеспечивают воспроизведение полосы частот 20 Гц ... 22 кГц и чувствительность на часто- частоте 500 Гц—94 дБ. Как следует из выражения для чувстви- чувствительности телефона, приведенного выше, для получения равномерной частотной характе- характеристики электродинамического телефона ме- механическое сопротивление его подвижной системы также должно быть упругим, по- поскольку электрическое сопротивление актив- активное. Качественные показатели электродина- электродинамических телефонов значительно лучше, чем у электромагнитных. Они дают более равно- равномерную частотную характеристику и мень- меньшие нелинейные искажения. Из-за незначительного сопротивления излучения диффузбра (вследствие малости его размеров по сравнению с длиной излучае- излучаемой волны) КПД диффузорного громкоговори- громкоговорителя невелик. Применение рупора, сопротив- сопротивления излучения которого значительно боль- больше, позволяет существенно увеличить КПД. Коэффициент полезного действия рупор- рупорного громкоговорителя с акустической ка- камерой 4=1 р8 В* V pc(S*D/S0) где SD — поверхность диафрагмы; 50 — вход- входное отверстие рупора. Однако эта формула справедлива для диапазона частот, более уз- узкого по сравнению с диапазоном диффузорно- диффузорного громкоговорителя. Дело в том, что резо- резонансная частота подвижной системы у ру- рупорного громкоговорителя существенно выше, так как для стабильности его работы прихо- приходится делать подвес более жестким. На высо- высоких частотах начинают заметно влиять гиб- гибкость воздуха в акустической камере, как бы шунтирующая сопротивление излучения, и ин- интерференция колебаний от различных частей диафрагмы, достигающих горла рупора с раз- разными фазами вследствие различной длины пути их прохождения. Правда, с этим борют- борются, вставляя в камеру так называемый проти- воннтерференционный вкладыш, в значитель- значительной степени выравнивающий эти пути. Из-за перечисленных причин воспроизво- воспроизводимый рупорным громкоговорителем частрт- ный диапазон довольно узок. Но и внутри его частотная характеристика неравномерна. Существенный недостаток рупорного гром- громкоговорителя в том, что его характеристика направленности сильно зависит от частоты. Являясь тупой на низких частотах, она обост- обостряется к высоким. Поэтому в любом направле- направлении, отличном от осевого, наблюдается допол- дополнительный спад высоких частот, что отрица- отрицательно сказывается, например, на артикуля- артикуляции при воспроизведении речи. Что касается нелинейных искажений, то ко всем причинам указанным для диффузор- диффузорных громкоговорителей, прибавляются еще специфические для рупорных. Они заключа- заключаются в том, что поскольку в акустической камере имеет место очень большое звуковое давление, то тут начинает сказываться не- 16
линейность самого воздуха, находящегося в ней. А это проявляется в виде дополнитель- дополнительных искажений. Таким образом, рупорный громкоговори- громкоговоритель обладает рядом существенных недостат- недостатков. Достоинство же его — сравнительно большой КПД, что делает целесообразным его применение там, где необходимы высокий уро- уровень громкости воспроизведения или работа на большие расстояния. Характерной и имеющей важное значение для работы электродинамических громко- громкоговорителей и телефонов является частотная зависимость их электрического сопротивле- сопротивления (рис. 6.1). На низких частотах, это, по существу, активное сопротивление катушки. На частоте резонанса подвижной системы сопротивление громкоговорителя (/„ на рис. 6.1) или телефона сильно возрастает вви- ввиду увеличения вносимого сопротивления Вг х X /2/zM (механическое сопротивление силь- сильно уменьшается). Далее оно падает из-за того, что наступает электромеханический резонанс индуктивного сопротивления катушки с ем- емкостным сопротивлением вносимого сопротив- сопротивления В2 /2/j(om и, наконец, к высоким частотам доминирую- доминирующим становится упомянутое уже индуктивное сопротивление катушки. Следует назвать еще один принцип пре- преобразования, используемый в конструкциях телефонов и громкоговорителей, — электро- электростатический (рис. 6.2). Принцип действия их в дифференциальном варианте заключается в том, что между двумя перфорированными плас- пластинами 2, являющимися неподвижными элек- электродами, располагается подвижный электрод / обычно в виде металлизированной пленки. На подвижный электрод подаются переменное напряжение от источника токов звуковой час- частоты и постоянное напряжение, в несколько раз большее переменного, что необходимо как для повышения чувствительности (см. ниже формулу для нее), так и для уменьшения спе- специфических для электростатического способа преобразования нелинейных искажений по второй гармонике. В зависимости от мгновент ной полярности по переменному напряжению подвижный электрод притягивается то к од- одному, то к другому неподвижному электроду. Получаемые таким образом колебания через перфорации неподвижных электродов возбуж- возбуждают окружающую воздушную среду. Электростатический способ преобразова- преобразования применяют также и в телефонах. Элект- Электростатические громкоговорители большей час- тыд выполняют как системы, непосредственно излучающие в среду. Значительно реже приме- применяются электростатические рупорные гром- громкоговорители. Применение электростатических телефонов ограничиваются4 сложностью их конструкции и высокой ценой. Для электростатических преобразований коэффициент электромеханической связи где Uo — напряжение поляризации; d — ши- ширина зазора между подвижными и неподвиж- неподвижными электродами. Чувствительность громкоговорителя, если он работает в режиме постоянного напряже- напряжения: Р иос f~s7T Uo гы<1 у 2я Здесь zM — механическое сопротивление по- подвижной системы (подвижного электрода); 5 — ее поверхность; С — электрическая ем- емкость громкоговорителя; рс — удельное со- сопротивление среды (воздуха); га — удельное >(на единицу поверхности) сопротивление из- излучения подвижного электрода. Из приведенного выражения видно, что звуковое давление может быть частотно-не- частотно-независимым, если: а) сопротивление излучения и механическое сопротивление подвижного электрода также частотнонезависимы, что имеет место при гео- геометрических размерах подвижного электрода, больших по сравнению^ длиной волны излу- излучаемого звука на низшей частоте воспроизво- воспроизводимого диапазона, а механическое,сопротивле- механическое,сопротивление в основном активно; б) геометрические размеры подвижного электрода малы по сравнению с длиной вол- волны излучаемого звука на высшей частоте вос- воспроизводимого диапазона, а механическое со- сопротивление инерционно, т. е. пропорциональ- пропорционально частоте, что имеет место при расположении резонансной частоты ниже воспроизводимого диапазона. Однако построенный таким об- образом громкоговоритель будет иметь низкую чувствительность из-за малой поверхности подвижного электрода при малых размерах последнего. Для излучения достаточной акус- акустической мощности необходимо, чтобы ампли- амплитуда колебаний подвижного электрода, особен- особенно на низких частотах, была достаточно большой. Но для этого необходимо, чтобы был достаточно велик и зазор между подвижным и Рис. 6.1. Зависимость модуля электрического сопротивления громкоговорителя от частоты fo — резонансная частота, fm — частота электроме- электромеханического резонанса, R — сопротивление постоян- постоянному току, Rn — сопротивление иа частоте fm, R+R' — вносимое активное сопротивление 117
неподвижным электродами. Отсюда следует, что электростатический громкоговоритель ма- малых размеров годится только для воспроизве- воспроизведения высоких частот. Для перекрытия ши- широкого диапазона частот целесообразно при- применять многополосные громкоговорители, т. е. совокупность громкоговорителей, каждый из которых воспроизводит только часть диапазо- диапазона частот, в границах которой удовлетворя- удовлетворяется условие б). Поэтому для воспроизведения низких частот и всего диапазона в целом электростатические громкоговорители должны иметь большие площади, хотя толщина конст- конструкции может быть сравнительно небольшой. Что касается электростатических телефо- телефонов, то из выражений для чувствительности телефона и для коэффициента электромехани- электромеханической связи следует, что Р ¦^ ¦¦ U иа (о2 dcv Z9\zr+ а это при Za = 1/jcoC приводит к тому, что чувствительность телефона будет частотно-не- частотно-независимой только при условии, что механи- механическое сопротивление телефона будет упругим, т. е. если раезонансная частота телефона вы- выше воспроизводимого диапазона частот. Преимущества электростатических гром- громкоговорителей и телефонов в том, что они возбуждаются по всей поверхности подвижно- подвижного электрода, благодаря чему все его точки колеблются синфазно, т. е. поршнеобразно, и он излучает всей поверхностью, что особен- особенно важно при излучении высоких частот. По- Поэтому частотная характеристика электроста- электростатических громкоговорителей и телефона — весьма протяженна в сторону высоких частот по сравнению с характеристиками громкого- громкоговорителей и телефонов, построенных на дру- других видах преобразования. Недостатками электростатических громкоговорителей и те- телефонов являются прежде всего, как уже упо- упоминалось, специфические для них виды не- нелинейных искажений по второй гармонике, возникающие из-за того, что сила электроста- электростатического притяжения пропорциональна не приложенному к электродам напряжению, а его квадрату. Эти искажения могут быть силь- сильно уменьшены путем применения напряжения поляризации и так называемой дифференци- дифференциальной конструкции (см. рис. 6.2, а). Но по- последняя дает необходимый эффект только при высокой' степени симметрии расположения подвижного электрода между неподвижными. Само собой разумеется, что должна соблю- соблюдаться и электрическая симметрия, т. е. ра- равенство подаваемых в оба неподвижных элек- электрода напряжений. Не всегда удобно и то, что электростатичес- электростатический громкоговоритель для воспроизведения широкого частотного диапазона должен иметь большую излучающую поверхность. Это, кро- кроме конструктивных неудобств, приводит к тому, что характеристика, направленности та- такого громкоговорителя зависит от частоты, сильно обстряясь с ее повышением. Правда, с этим борются, составляя громкоговори- громкоговоритель из отдельных сравнительно узких пане- панелей, располагаемых в горизонтальной плос- плоскости (например, по дуге окружности). Существенный недостаток электростатичес- электростатических громкоговорителей и телефонов также в том, что они являются для питающих их уси- усилителей емкостной нагрузкой, сопротивление которой падает с частотой. Довольно неудобна также во многих слу- случаях необходимость в дополнительном источ- источнике постоянного напряжения. Все это услож- усложняет построение усилителя и требует приме- применения специальных схем. Пример такой схемы питания электростатического громкоговори- громкоговорителя напряжениями поляризации и звуковой частоты представлен на рис. 6.2, б. O-t- — Рис. 6.2. Электростатический громкоговоритель: а — конструкция: / — диафрагма М, 2 — неподвижные! электроды Э, Ео— источник поляризующе- поляризующего напряжения, h0 — расстояние между диафрагмой М н неподвижным электродом Э; б — при- пример схемы устройства его питания и поляризации: Ci=C2.. .=С,2-33 пФ, СK—100 мкф, Л| = 1 мОм, /?2»470 кОм, /?з-Ю мОм. Диоды: VD|—VD2 118
Еще одним Недостатком электростатичес- электростатических громкоговорителей и телефонов является сравнительно низкая чувствительность, обу- обусловленная ограниченной электрической проч- прочностью воздуха, ие позволяющей повышать действующие между электродами напряжеиия сигнала и поляризующее. Вместе с тем элек- электростатические громкоговорители и телефоны обеспечивают очень высокое качество зву- звучания, лишенное какой-либо окраски. Это обусловлено чрезвычайно малыми переход- переходными искажениями легкой диафрагмы. У нас в стране выпускают широкополосную элек- электростатическую акустическую систему 25АСЭ—101, основные технические характе- характеристики которой приведены в табл. 6.9. Появившиеся в последние годы электрет- ные громкоговорители и телефоны имеют то преимущество перед электростатическими, что у них отпадает необходимость в источнике поляризующего напряжения, поскольку элек- электроды несут на себе постоянный и довольно стабильный во времени электрический заряд. Одним из других способов преобразования, используемых в громкоговорителях и телефо- телефонах, является также пьезоэлектрический, став- ставший перспективным благодаря появлению эффективных пьезоэлектрических пленок. Тут, естественно, не требуется напряжения поляризации. В остальном и электретные, и пьезоэлектрические громкоговорители обла- обладают в принципе теми же свойствами, что и эле ктр остатичес кие. Приведенные выше выражения для чувст- чувствительности и КПД громкоговорителей и те- телефонов позволяют установить требования к их подвижным системам, необходимые для по- получения равномерных частотных характерис- характеристик. Подвижные системы электромагнитных, электродинамических и малых емкостных (электростатических, электретиых и пьезо- пьезоэлектрических) громкоговорителей должны управляться массой, т. е. их резонансные частоты должны находиться ниже воспроиз- воспроизводимого диапазона частот. У больших ем- емкостных громкоговорителей подвижные сис- системы должны иметь частотно-независимое ме- механическое сопротивление, т. е. желательно активное. Подвижные системы телефонов всех видов преобразования должны управляться упругостью, т. е. их резонансные частоты должны лежать выше воспроизводимого диа- диапазона частот. НАПРАВЛЕННОСТЬ Направленность отдельных диффузных го- головок громкоговорителей не является явно вы- выраженной ввиду малости поверхности излу- излучения, хотя она и становится заметной в об- области высоких частот. Однако направленность начинает играть существенную роль, когда применяют системы, состоящие из совокуп- совокупности громкоговорителей. К таким системам относятся, например, звуковые колонки, в которых несколько головок громкоговори- громкоговорителей располагается в виде одного или не- нескольких параллельных рядов. Устроенные /?е = sin | —-— sin 6 j / n sin /- таким образом звуковые колонки мало направ- направлены в горизонтальной плоскости и сильно направлены в вертикальной. Эти свойства звуковых колонок полезны при их применении в системах звукоусиления и озвучения. Направленность колонки в вертикальной плоскости может быть приближенно вычисле- вычислена по формуле - sin 6) / п sin f —— sin6), где d — расстояние между центрами двух со- соседних громкоговорителей; п — число их в вертикальном ряду; / — вертикальная длина колонки (предполагается малой по сравнению с длиной волны излучаемого звука к >> /); 6 — угол между нормалью к плоскости, в которой лежат диффузоры головок громкого- громкоговорителей, восстановленной в центре этой плоскости, и прямой, проведенной в верти- вертикальной плоскости в точку наблюдения из этого же центра. Эта формула справедлива только для направленности в вертикальной плоскости. Пространственная же характеристика опре- определяется формулой nl X nb X cos 6 sin6 X sin (~T~~ sin у sin 81 _ —— sin Ysin9 где у — угол между вертикальной плоскостью, проходящей через центр плоскости, в которой лежат диффузоры головок громкоговорителей, и перпендикулярной ей прямой, проведенной в точку наблюдения и лежащей в горизон- горизонтальной плоскости; Ь — ширина колонки в горизонтальной плоскости. Приведенные формулы имеют ограничения, обусловленные тем, что на низких частотах они не учитывают взаимодействия головок гром- громкоговорителей, а также эффекта дифракции из-за того, что головки колонки расположены ие в бесконечной стене, а в корпусе конечных размеров. На высоких частотах расстояние d начинает становиться сравнимым с длиной волны и даже большим ее. Следует учесть, что на частотах, где d > ЗХ/4, характеристика направленности становится многолепестковой. Однако приближенно эти формулы и по- построенный на основе первой из них рис. 6.3 дают представление о направленности колон- колонки. Пример. Пусть требуется найти звуковое Давление, развиваемое звуковой колонкой длиной / = 1 м под углом 15° на частоте 690 Гц (в долях осевого давления). Длина волны, соответствующая частоте 690 Гц, при- приблизительно равна 0,5 м. Отсюда 1/к = 1/0,5 = 119
Рис. 6.3. Зависимость характеристики направленности лилейного излучателя, колеблю- колеблющегося в бесконечном экране, от отношения 1/К = 2. По кривой с таким параметром (спра- (справа в среднем ряду) находим точку пере- пересечения кривой с направлением 15° и отсчи- отсчитываем по вертикальной оси значение отно- относительного звукового давления 0,45. В противоположность звуковым колон- колонкам, где требуется обострить направленность для некоторых систем озвучения требуется, чтобы по крайней мере в горизонтальной плос- плоскости направленность громкоговорителя от- отсутствовала, т. е. чтобы звуковое давление в горизонтальной плоскости в любом направле- направлении от громкоговорителя в заданном расстоя- расстоянии было одинаковым. Это требование удов- удовлетворяется так называемыми радиальными громкоговорителями, где несколько головок громкоговорителей расположено по окружнос- окружности в одной горизонтальной плоскости. Задача, которую приходится решать в бы- бытовой радиоэлектронной аппаратуре, — не до- допустить по возможности обострения характе- характеристики направленности в горизонтальной плоскости даже на высоких частотах во из- избежание их «пропадания» при слушании под углом к оси. С этой целью головки для воспро- произведения высоких частот располагают в горизонтальной плоскости по дуге кр^га. В таком случае направленность в этой плоскости C0 2 Г nD slnb~ cos F + ka) где 2m -f- 1 — общее число головок громко- громкоговорителей; D — диаметр дуги, по которой расположены головки; а — центральный угол между двумя соседними головками громко- громкоговорителей. Для этого случай можно опре- определить направленность и по рис. 6.4. Пример. Пусть требуется найти звуковое давление, развиваемое группой головок гром- громкоговорителей, расположенных по дуге с цент- центральным углом 120° и хордой 0,4 м на часто- частоте 750 Гц под углом 30° к оси группы в долях от звукового давления на последней. Диаметр такой группы D = 0,4 /sin A20°/ 2) = = 0,4/0,866 = 0,46 м. Длина волны на час- частоте 750 Гц составляет также 0,46 м. Отсюда D/K = 1. По характеристике с этим парамет- параметром (справа в верхнем ряду группы в) на- находим точку ее пересечения с направлением 30° и отсчитываем на вертикальной оси зна- значение: оно приблизительно равно 0,7. Существуют и другие способы уменьше- уменьшения направленности. Так, например, для тех акустических систем, где высокие часто- частоты воспроизводятся рупорными громкогово- громкоговорителями, рупоры выполняют так, что в осе- осевом направлении внутри их устанавливают пе- перегородки под углом друг к другу или же так устанавливают отдельные рупоры. Размеры этих рупоров невелики, так как они служат для излучения высоких частот. Направленность рупорных громкогово- громкоговорителей (с рупорами, построенными по экс- экспоненциальному закону) может быть найдена с помощью экспериментально снятых харак- характеристик, изображенных на рис. 6.5, где Хгр — граничная длина волны рупора, т. е. длина волны на той критической частоте /Гр, 120
с которой теоретически он начинает иЗЛу- чать; d — диаметр устья (выходного отвер- отверстия рупора) или диаметр круга, равновелико- равновеликого по площади устью, если последнее не слиш- слишком вытянуто; d/% — отношение диаметра устья к длине волны излучаемого звука. Пример, Пусть требуется найти звуковое давление, развиваемое рупорным громкого- громкоговорителем с рупором, диаметр устья которого составляет 0,7 м и рассчитан на критическую частоту 250 Гц на частоте 375 Гц Под углом 45°. Граничная длина волны Я,гр = 343 : 250 = = 1,36 м. Отсюда A,rp/d = 1,36 : 0,7 = 2. Длина волны на частоте 375 Гц будет 343/375 = 0,92 м. Отсюда d/X = 0,7/0,92 = = 0,75. Находим в горизонтальном ряду с по- пометкой 2 характеристику, , соответствующую d/К = 0,75 (первая слева), отсчитываем под углом 45° значение 0,6 от звукового давления на оси, что приблизительно будет искомой величиной. Как можно видеть из рассмотрения рис.6.3» направленные свойства звуковых колонок начинают проявляться на частотах, где от- отношение //Я достигает единицы и на более вы- высоких частотах. Исходя из размеров выпус- выпускаемых звуковых колонок это значит, что до частоты примерно 340 Гц они практически лишены направленных свойств даже в верти- вертикальной плоскости. Известно, что в горизон- горизонтальной плоскости звуковые колонки имеют характеристику направленности, совпадаю- совпадающую с направленностью одиночной головки громкоговорителя, которая проявляет направ- направленные свойства еще на более высоких часто- частотах (800... 1000 Гц). Такая особенность харак- характеристики направленности обычных звуко- звуковых колонок приводит к снижению эффектив- эффективности работы систем звукоусиления вследствие прямого попадания звука на мембрану мик- микрофона и снижению разборчивости речи вслед- вследствие возбуждения интенсивной диффузной составляющей в помещении на низких часто-. тах. В то же время известная техническая реа- реализация однонаправленных (кардиоидных) звуковых колонок, направленные свойства которых на низких частотах формируются путем компенсации в тыльном полупростран- полупространстве двух составляющих тыльного поля: тыль- тыльного излучения диффузоров головок громко- громкоговорителей и части фронтального излучения диффузоров, дифрагирующей вокруг корпуса звуковой колонки в тыльное полупростран- полупространство. С этой целью в задней стенке звуковой колонки монтируется специальный акусти- акустический фильтр, обеспечивающий фазовый сдвиг, пропорциональной частоте для тыль- тыльного излучения диффузоров головок громко- громкоговорителей и реализующий условия компен- компенсации двух составляющих тыльного поля. При- Приоритет в создании таких звуковых колонок принадлежит СССР и в скором времени они будут выпускаться серийно, а пока кардиоид- ные звуковые колонки НТР-91 и НТР-45 выпускает завод «Беаг» в Будапеште (ВНР). Применение однонаправленных звуковых ко- колонок позволяет повысить эффективность ра- работы систем звукоусиления и улучшить раз- разборчивость речи. При использовании на от- открытом воздухе кардиоидные звуковые колон- колонки позволяют уменьшить помехи за пределами озвучиваемой зоны. 6.3. ТРЕБОВАНИЯ К ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯМ И ТЕЛЕФОНАМ Требования к телефонам, диффузорным и рупорным громкоговорителям производятся в соответствующих стандартах. ГОСТ 13491—68 «Телефоны электромагнитные для телефон- телефонных аппаратов» устанавливает две категории телефонов: «Н» (нормально) для работы в диа- диапазоне температур — 1О...+45°С при влаж- влажности до 90±3 % и «У» (устойчивые) в диа- диапазоне температур —50...+50°С при влаж- влажности до 95±3 %. Полное электрическое со- сопротивление на частоте 1Q00 Гц 260±52 Ом, хотя допускаются и другие его значения. Час- Частотная характеристика телефона должна укла- укладываться в допусковую область, изображен- изображенную на рис. 6.6, а. Коэффициент гармоник на частоте 1000 Гц не должен превышать 5 % при подведении мощности 1 мВ • А. Геомет- Геометрические размеры телефона должны соответ- соответствовать указанным на рис. 6.6, б. Основные параметры телефонов измеряют в камере искусственного уха, представляю- представляющую собой объем, соответствующий среднему объему слухового канала и ушной ракови- раковины F см3) или только слухового канала Bсм3) в зависимости от типа телефона (внешний или вкладной). Требования к громкоговорителям изло- изложены в ГОСТ 9010—84 «Головки громкого- громкоговорителей динамические прямого излучения» и ОСТ 4.383.001.85. Головки громкоговорите- громкоговорителей должны выдерживать испытания на теп- теплоустойчивость (до 60 °С), влагоустойчивость (до 93±2 % при +30°С), холодоустойчивость (—20...40 °С), ударную устойчивость, ударную прочность и виброустойчивость. Надежность громкоговорителей (акусти- (акустических систем), характеризуемая как сред- нестатическая наработка на отказ, должна быть не менее 6900 ч и повышаться до 10 000 ч с понижением группы сложности громкогово- громкоговорителя. Уровень характеристической чувстви- чувствительности (на расстоянии 1 м при подведении мощности 1 Вт), развиваемый головкой гром- громкоговорителя, должен быть не менее 90 дБ. Он может быть меньше для головок громкогово- громкоговорителей, используемых в закрытых акустичес- акустических системах и в системах с фазоинвертором, но не менее 84 дБ для низкочастотных головок и не менее 87 дБ для среднечастотных голо- головок и высокочастотных головок громкоговори- громкоговорителей. Неравномерность частотных характе- характеристик может составлять для встроенных и вы- выносных акустических систем для среднечас- среднечастотных головок громкоговрителей ±5 и 121
\во S) 122
Рис. 6.4. Зависимость характеристик направленности группы излучателей, расположен- расположенных по дуге окружности с центральным углом: а — 60°, 6 — 90°, 0—120° от отношения d/k, являющегося - параметром семейства характеристик (отношение диаметра базы к длине волны звука) ±7 дБ для головок громкоговорителей дру- других видов: широкополосных, низкочастотных и высокочастотных. Стандартом предусмотрен ряд значений максимальной шумовой мощности для голо- головок громкоговорителей: 0,05; 0,10; 0,25; 0,50; U00; 1,50; 2,00; 3,00; 4,00; 6,0(Г 10,00; 15,00; 20,00; 25,00 30,00; 35,00; 50,00; 75,00; 100,00 Вт. Номинальное электрическое сопротивле- сопротивление головок следует выбирать из ряда: 4, 8, 16, 25 и 50 Ой. Суммарный коэффициент гармоник на час- частотах, входящих в номинальный диапазон частот при номинальном среднем звуковом давлении головок, предназначенных для от- открытых (встроенных и выносных) акустичес- акустических систем, должен соответствовать: 63 Гц — 15%; 80 Гц— 12%; 125 Гц— 10%; для частот 200, 400, 630 и 1000 Гц — не более 5 %, а для частот 2000, 4000, 6300, 8000, 10 000 Гц и выше — не более 3 %. Для акус- акустических систем других видов установлены более жесткие нормы: 40 Гц — 15 %; 63 Гц — 12 %; 80 Гц — 8 %; 125 Гц — 8 %; для час- частот 200, 400 и 630 Гц — не более 5 частот 1000, 2000, 4000, 6300, 8000, выше — не более 3 %. Суммарный коэффициент гармоник голо- головок громкоговорителей с номинальным диапа- диапазоном частот 315...5000 Гц и ^же не должен Уо и для 10 000 и Рис. 6.5. Экспериментальная зависимость характеристики направленности экспонен- экспоненциальных рупоров 123
15 10 5 О -5 300500 200/? JO0O34OO a) Рис. 6.6. Допуски: а — на область частотной характеристики телефона, б — на его габаритные размеры быть более 5 % в номинальном диапазоне час- частот. Установочные размеры головок громкого- громкоговорителей приведены в табл. 6.1 и 6.2 в со- соответствии с рис. 6.7. Громкоговорители не должны дребезжать при подведении к ним синусоидального сигна- сигнала номинальной мощности в полосе частот 6t частоты основного резонанса до верхней час- частоты номинального диапазона частот. У одного из выводов звуковой катушки головки громкоговорителя обычно наносится знак положительной полярности в виде точки, пукли, знака «-}-» и т. п. Стандартом вводится новое наименование головок громкоговорителей. Наименование головки должно состоять из: слов «Головка громкоговорителя динами- динамическая»; условного обозначения из буквен- буквенно-цифрового индекса, в котором первые шиф- шифры — максимальная шумовая электрическая мощность; буквы: ГД — головка динамичес- динамическая и соответствующий вид головки: Н (низ- (низкочастотная), С (среднечастотная), В (высоко- (высокочастотная), Ш (широкополосная); последую- последующие цифры — порядковыей номер разработки головки соответствующего вида и значение номинального электрического сопротивления; обозначение настоящего стандарта. Пример наименования головки: 25ГДН—3—4 ГОСТ 9010—84. В условном обозначении головки, выпус- выпускаемой в двух и более модификациях, допол- дополнительно указывают частоту основного резо- резонанса. (Старые и новые наименования головок громкоговорителей и их основные характерис- характеристики будут даны в табл. 6.7.) В соответствии с ГОСТ 23262—83 «Системы акустические» по электрическим и электро- электроакустическим параметрам акустические систе- системы разделяют на четыре группы сложности: 0 (высшая), 1, 2 и 3. Нормы на акустичес-. кие системы по группам сложности приведены в табл. 6.3. Поля допусков частотной характе- характеристики звукового давления акустических сис- систем приведены на рис. 6.8. На рис. 6.9 по- Рис. 6.7. Установочные размеры диф- фузорных головок громкоговорите- F лей: а — круглых, б — эллиптических 124
Таблица 6.1. Допуски на установочные размеры круглых головок громкоговорителей в миллиметрах D Номинальные значения 25,0* 31,5* 40,0 50,0 63,0 80,0 125,0** 160,0** 200,0** 250,0** 315,0** Предельные отклонения — 1 —2 —2 —2 2 2 ) • з з —5 о —5 3,2 3,2 3,2 3,2 4,3 5,0 5,0 5,0 5,5 5,5 6,5 < номинальные значения — __ — — — 114,0 148,0 184,0 233,0 295,0 и предельные. отклонения — — — — ±0,6 ±0,5 ±0,5 ±1,0 ±1,0 / номинальные значения 20,0 25,0 31,5 40,0 50,0 80,0 100,0 125,0 160,0 200,0 250,0 пределньые отклонения ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±1,0 ±1,0 ±1,5 * Для крепления допускается использовать диффузородержатель с вочиых отверстий. ** Предпочтительно изготовлять диффузородержатель в соответствии с ушкамн или рис. 6.7, б. без ушек и устано- казано определение неравномерности частот- частотной характеристики по звуковому давлению акустической системы. Номинальную элек- электрическую мощность акустической системы следует выбирать из ряда: 3, 6, 10, 15, 25, 35, 50, 75, 100 Вт. Наименование акустической системы долж- должно состоять из слов «Система акустическая»; условного обозначения (торгового названия) из букв и цифр, означающих: первые две циф- цифры — номинальную электрическую мощность, буквы АС — сокращенное наименование акус- акустической системы, третья цифра — группу сложности акустической системы, четвертая и пятая цифры — порядковый номер разработ- разработки модели; обозначения настоящего стандар- стандарта. Следующая группа громкоговорителей, требования к которым нормируются ГОСТ 5961—84, — это абонентские громкого- громкоговорители, используемые в радиотрансляци- радиотрансляционных сетях.. Их электроакустические пара- параметры приведены в табл. 6.4. Помимо або- абонентских однопрограммных громкоговорите- громкоговорителей широкое распространение полуличи при- приемники трехпрограммные проводного веща- вещания, требования к которым сформулированы в ГОСТ 18286—82. Эти, приемники, или, как их называют, трехпрограммныме громкого- громкоговорители, по своему устройству содержат, Таблица 6.2. Допуски на установочные размеры эллнптических головок громкоговорителей в миллиметрах А номинальные значения 20,0* 25,0* 35,5* 40,0 50,0 63,0 80,0 100,0 125,0 160,0 200,0 250,0 предельные отклонения j — 1 2 2 —2 —2 —2 2 —3 —3 —5 —5 в номинальные значения 31,5 40,0 50,0 63,0 80,0 . 100,0 125,0 160,0 200,0 250,0 315,0 400,0 предельные отклонения 2 —2 —2 — 2 2 2 з —3 —5 —5 —5 о dt 3,2 3,2 3,2 3,2 4,3 4,3 5,0 5,0 5,0 5,5 5,5 6,5 / номиналь- номинальные значения 16,0 20,0 25,0 31,5 40,0 50,0 63,0 80,0 100,0 125,0 160,0 200,0 предельные отклонения ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5 .+0,5 +0,5 ±1,0 ±1,0 + 1,0 & номиналь- номинальные значения 25,0 31,0 \ 40,0 50,0 63,0 80,0 100,0 125,0 160,0 200,0 250,0 315,0 предельные отклонения ±0,5 .±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5 +0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±1,0 + 1,0 ±1,0 * Для крепления допускается использовать ных отверстий. диффузодержатель с ушками или без ушек и установоч- 125
t а б л и ц а 6.3 Параметр , Диапазон воспроизводимых частот, Гц, не уже Отклонение частотных характеристик зву- звукового давления, усредненных в октавных полосах, между любыми двумя акустиче- акустическими системами конкретного типа, дБ, не более Среднее звуковое давление при номиналь- номинальной мощности, Па (дБ), не менее, в диапа- диапазоне частот, Гц 100...8000 200...4000 Суммарный характеристический коэффици- коэффициент гармоник при электрической мощности, соответствующей среднему звуковому дав- давлению, на 4 дБ ниже указанного в п. 3 таблицы значения, %, не более, в диапазо- диапазонах частот 250... 1000 1000...2000 2000...6300 Электрическое сопротивление, номинальное значение, Ом Масса, кг, не более Норма по группам сложности 0 25...25 000 2 1,0 (94) — 2 1,5 1,0 4 или 8 63 1 40... 16 000 3 1,0 (94) — 2 1,5 1,0 4 или 8 20 2 63... 12 500 0,8 (92) — 3 2,5 2,0 4 или 8 12,5 3 100...800О — — 0,63 (90) 4 3,0 3,0 4 или 8 5 Примечание. Допускается отклонение значения модуля полного электрического сопротивления от но- номинального значения не более 20%. помимо обычного абонентского громкоговори- громкоговорителя еще электронную схему, состоящую из входного селективного устройства и усили- усилителя звуковых частот. Эта схема нуждается в питании, и поэтому такие приемники имеют два шнура — один сетевой, другой сигналь- сигнальный, который следует включать'в розетку ра- радиотрансляционной сети (и не путать!). По- Помимо первой программы, передаваемой зву- звуковыми частогами, такой приемник может при- принимать вторую и третью программы, которые передаются по радиотрансляционной сети с помощью амплитудной модуляции несущих, соответственно 78 и 120 кГц. На эти частоты приемник имеет фиксированную настройку. При включении на прием второй или тертьей программы приемник потребляет от электро- электросети мощность порядка 4 Вт. По своим элек- электроакустическим параметрам приемники трех- программного вещания соответствуют второй группе сложности (см. табл, 6.4). По качеству звучания они превосходят абонентские гром- громкоговорители вследствие применения более совершенной головки громкоговорителя. Бла- Благодаря малым габаритам, невысокой стои- стоимости и простоте в обращении, такие прием- приемники получили широкое распространение в СССР. Ь4 its 50 100 Уровень среднего Вб [давления 8000 Fz /> б) Уровень среднего Лзбуковоео i давления, I ! \ав Рис. 6.8. Поля допусков частотной, характеристики звукового давления акустических систем 126
Таблица 6.4. Нормы на основные электроакустические и электрические параметры абонентских громкоговорителей Параметр Номинальное напряжение, В Диапазон1 воспроизводимых частот, Гц, не уже при не- неравномерности частотной характеристики по звуковому давлению, дБ, не более Модуль полного входного элекрического сопротивле- сопротивления, определяемый при номинальном напряжении, при положении регулятора громкости, соответствующем максимальной громкости, Ом, не менее, на частотах: 120 кГц 78 кГц 400 Гц 50 Гц Среднее звуковое давление при номинальном напряже- напряжении в диапазоне частот 315 4000 Гц, Па, не менее Суммарный коэффициент гармоник при номинальном напряжении, %, не более, в диапазонах частот, Гц: 80... 100 свыше 100 до 200 » 200 до 400 » 400 до 2000 » 2000 Диапазон регулирования громкости, дБ, не менее Норма 30 63... 12 500 63... 10 000 12 f 4000 4000 1800 1800 0,4 10 7 4 3 2 46 42 по группам сложности ¦« 1 30 100... 12 500 100... 10 000 14 4000 4000 3600 2900 0,3 —- 7 4 3 2 40 36 3 30 160...7100 100...6300 15 4000 ' 4000 6000 4800 0,25 — — 5 3 2 35 32 В числителе указаны нормы для высшей категории качества, в знаменателе — для второй категории качества. Для сети проводного вещаиня Москвы громкоговорители следует изготовлять рассчитанными на работу при номинальном напряжении 15 В со снижением входного сопротивления в 4 раза. Нормированы требования и к рупорным громкоговорителям, предназначенным для зву- звукоусиления и озвучения помещений и откры- открытых пространств (ГОСТ 12089—66). Их электроакустические параметры приведены в табл. 6.5. Рупорные громкоговорители должны изго- изготовляться на номинальную мощность 10, 25, 50 и 100 Вт и иметь две ступени переключе- переключения, при которых подводимая мощность со- составляла бы соответственно половину и чет- четверть номинальной для данного типа. Преду- Предусматривается, что громкоговорители могут работать от любого из следующих напряжений: 30, 120, 240 В. Испытываются они предвари- предварительно соответственно на напряжения 500, 1500 и 2000 В от сети с частотой 50 Гц. Естественно, что к рупорным громкогово- громкоговорителям предъявляют требования повышенной устойчивости к климатическим факторам, уда- Таблица 6.5. Нормы на параметры рупорных громкоговорителей Параметр Номинальный диапазон частот, Гц, не уже Неравномерность частотной характеристики в номинальном диапазоне частот, дБ, не более Коэффициент гармоник, %, не более, при номинальной могцности в установленном диапазоне частот: до 400 Гц включительно свыше 400 Гц Норма по классам I 80... 100 000 15 7 5 II 100...6300 15 7 5 III 200... 1000 ' 15 10 IV 500...3550 15 10 — Примечание. Среднее стандартное звуковое давление и характеристика направленности в плоскостях малой и большой баз должны быть указаны в технических условиях на конкретный тип громкоговорителя. 127
$=» S я a •S3 Hi Hi •si 100 200 500 гооо 5000 10000 20000 t - - 1 1 . - - - - -10 > 1 J1 > s t a 1* Г' 1 j ( F N, > _ •< « Я „ - I \ . 1 > С • - H - ¦ ¦ ¦ • ¦ - ¦ ¦ - ¦ ¦ ¦ - ¦ ¦ ' I I I I I I i 1—\ 1—I 1 1 1- 5
рам и вибрациям. Для проверки этого их ис- испытывают на ударную устойчивость с уско- ускорением 10g, ударную прочность с ускорением 15g, виброустойчивость с ускорением Zg в диапазоне частот 10...70 Гц, теплоустойчи- теплоустойчивость при +60 °С, на холодоустойчивость при .—50 °С, влагоустойчивость до 95^ЬЗ % и на брызгозащищенность при силе дождя 5±1 мм/мин. 6.4. ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ТИПОВ ТЕЛЕФОНОВ, ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ И АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ТЕЛЕФОНЫ В телефонных аппаратах и переговорных устройствах широко применяют телефонный капсюль ТК-47, устройство которого представ- представлено на рис. 6.10, а. Принцип действия электромагнитного те- телефона заключается в следующем. На посто- постоянный магнитный поток магнитной системы, состоящей из постоянного магнита 2 и магни- топровода (полюсных наконечников) 3, на- накладывается переменный поток звуковой час- частоты, создаваемый катушками 4, надетыми на магнитопровод. К этим катшудсам подводится напряжение звуковой частоты. Перед полюс- полюсными наконечниками находится ферромаг- ферромагнитная диафрагма 5. При воздействии совокуп- совокупности постоянного и переменного магнитных потоков, пронизывающих диафрагму, возни- возникает сила, приводящая в колебания послед- последнюю, так как эта сила изменяется в такт с пе- переменным магнитным потоком. При своих колебаниях диафрагма создает звуковые коле- колебания в ушной раковине и слуховом проходе.' Устройство электромагнитного громкоговори- громкоговорителя отличается от описанного тем, что перед полюсными наконечниками находится не ди- диафрагма, а якорь, приводящий в колебания скрепленную с ним диафрагму (диффузор), из- излучающую звук в окружающую среду. Не- Несколько сложнее бывает и конструкция маг- магнитной цепи. Частотная характеристика чувствитель- чувствительности телефона представлена на рис. 6.11. Так как при одинаковых отдачах телефоны разного сопротивления будут иметь различные величи- величины чувствительности, то для того чтобы иметь возможность сравнивать по отдаче телефоны разного сопротивления, используют понятие приведенной чувствительности, под которой понимают величину Рис. 6.10. Устройство телефонов: а — ТК-47: / — корпус; 2 — дугообразные магниты с полюсными накоиечинкамн; 3, 4 — катуш- катушки; 5 — ферромагнитная диафрагма, свободно лежащая чна выточке в корпусе; 6 — защитный экс- цельсиоровый диск; 7 — крышка, с отверстиями, завальцоваиная вокруг выступа корпуса; б — ТА-4: / — корпус; 2 — постоянный магнит с полюсными наконечниками 3; 4 — ферромагнитная диа- диафрагма, прижимаемая навинчивающейся крышкой 7; .5 — акустическая перегородка с двумя от- отверстиями в, затянутыми шелком; в — ДЭМК-6а: / — герметизированный корпус; 2— постоянные магниты; 3 — полюсные наконечники; 4 — якорь, соединенный штоком 5 с диафрагмой 6; 7 — немагнитное основание; в — крышка с отверстиями; 9 — гайка; 10 — вннт, регулирующий поло- положение якоря: // — керамическая пробка 5 Зак. 1688 129
too mm 500 1000 5000 Щ Рис. 6.П. Частотные характеристики телефо- телефонов ТК-47, ДЭМК-ба, ДЭМК-71 где Л1пр — приведенная чувствительность те- телефона, Па/В; Мт — его чувствительность; |ZT| —модуль его электрического сопротив- сопротивления; ZCT — стандартное сопротивление, ко- которое в телефонии принимается равным 600 Ом. Средняя чувствительность телефона ТК-47 в диапазоне 300...3000 Гц составляет 15... ... 17 Па/В, а сопротивление его катушек по- постоянному току 130 Ом. Этот телефон находит применение в телефонных аппаратах. В пе- переговорных устройствах и на радиостанциях применяют телефон ТА-4 (рис. 6.10, б). Как видно из аналоговой электрической схемы этого телефона (рис. 6.12), она отображает сложный, многорезонансный контур. По- Поэтому частотная характеристика телефона относительно равномерна (рис. 6.11). Его средняя чувствительность в диапазоне 300... ...4000 Гц; 3 па/В при сопротивлении посто- постоянному току 2200 0м и 15 Па/В при сопротив- сопротивлении 65 0м. Простую резонансную систему, но более сложную (дифференциальную) магнитную сис- систему имеет телефон ДЭМК-6А (рис. 6.10, в). Для того чтобы при изменениях атмосферного Рис. 6.12. Аналоговая электрическая схема те- телефона ТА-4: trio, Co, г0 — масса, гибкость и активное сопротивле- сопротивление диафрагмы; с\ — гибкость воздуха в объеме над диафрагмой 4; тг, г2 — масса и активное сопротив- сопротивление воздуха в отверстиях 6; са — гибкость возду- воздуха в корпусе под акустической перегородкой 5; с3 — гибкость воздуха в объеме между диафрагмой и крышкой; пц, г3 — масса и активное сопротивле- сопротивление воздуха в отверстиях крышки; с4 — гибкость воздуха в объеме между телефоном н ухом давления его диафрагма не прогибалась внутрь или не выпучивалась, телефон снабжен кера- керамической пробкой, пропускающей воздух, но не пропускающей влагу. Средняя чувстви- чувствительность телефона 20 Па/В при сопротивле- сопротивлении постоянному току 130 Ом. Несколько от- отличается от него телефон ДЭМК-7Т. В нем нет керамической пробки, а в основании 7 проделан ряд отверстий, что делает его экви- эквивалентную схему многорезонансной, такой же, как и у телефона ТА-4. Электрическая эквивалентная схема телефона ДЭМК-6А та- такая же, как у телефона ТК-47. Частотные ха- характеристики телефонов ДЭМК-6А и ДЭМК-7Т также приведены на рис. 6.11. При сравнитель- сравнительном рассмотрении этих характеристик следует иметь в виду, что они не приведены к стандарт- стандартному сопротивлению 600 Ом и поэтому распо- располагаются на разных уровнях. Для прослушивания радиопередач, зву- звукового сопровождения телевидения и звуко- звукозаписей применяют другие типы телефонов, преимущественно стереофонические. Боль- Большая часть выпускаемых стереофонических те- телефонов — электродинамические. В качестве примера приведем конструкцию телефона ТДС-1 (рис. 6.13, о). В корпусе 2 находится миниатюрная элект- электродинамическая головка громкоговрителя / с диффузором или с полусферической диафраг- диафрагмой. Пространство между ним и корпусом за- заполнено звукопоглощающим материалом (по- (поролоном) 5. Перед громкоговорителем нахо- находится перфорированная решетка 3. К краю корпуса примыкает мягкий амбушюр, при- прижимаемый к ушной раковине. Этот телефон (в паре) позволяет получить высококачест- высококачественное воспроизведение, особенно низких час- частот, при малой поДводимой мощности, обеспе- обеспечивая очень хороший стереофонический эф- эффект и довольно надежно звукоизолирует слушателя от внешних шумов, а окружаю- окружающих людей — от звуков воспроизведения. Устройство квадрафонического телефона схематически показано на рис. 6.13, б. Его основное отличие в том, что на каждое ухо воздействуют два электродинамических пре- преобразователя — миниатюрных громкоговори- громкоговорителя. Здесь / и 2 — соответственно преобра- преобразователи переднего и заднего каналов (скажем, правых). Так же устроен телефон переднего и заднего левых каналов. Преобразователи пе- передних каналов располагаются прямо против входа в слуховые каналы ушей, а задних — смещены за ушную раковину, что несколько ослабляет высокие частоты. Иногда оба пре- преобразователя включаются через специальный электрический контур, позволяющий под- подчеркнуть низкие частоты для одного преобра- преобразователя и высокие для другого. Известны головные телефоны, построен- построенные на электродинамическом принципе, но без применения миниатюрных головок гром- громкоговорителей. Наиболее известный из них — тар называемый изодинамический. Он состоит из магнитной системы и диафрагмы. Ориги- Оригинальная магнитная система, в свою очередь, 130
Рис. 6.13. Устройство телефонов: а — ТДС-1: / — малый электродинамический громкоговоритель; 2 — корпус; 3 — перфорированная решетка; 4 — мягкий амбушюр, прижимаемый к ушной раковине; 5 — звукопоглощающий мате- материал — поролон; б — контакт; б — квадрафонического: 1,2 — громкоговорители переднего и тыло- тылового каналов; 3 — амбушюр; 4 — корпус; в и г — нзодннамнческого состоит из двух дискообразных магнитов, на- например из феррита бария, намагниченных та- таким образом, что каждый из них имеет три па- пары полюсов. Скажем, центральная часть, ог- ограниченная окружностью, имеет полярность N, следующая кольцевая — S и наружная кольцевая — N (рис. 6.13, в). Таким образом, по поверхности магнита проходят два ради- радиальных магнитных потока. Так же намагни- намагничен и второй магнит. Магниты по всей своей плоскости перфорированы, для того, чтобы обеспечить проход звука через отверстия при колебаниях диафргамы из синтетической плен- пленки, натянутой между магнитами на равных расстояниях от поверхности каждого из них. На пленку нанесен проводник в виде спирали. В том месте, где встречаются противополож- противоположно направленные потоки (окружность, прохо- проходящая через точку А на рис. 6.13, г), витки спирали идут в обратном направлении. Таким образом, сохраняется одно и то же взаиморасположение магнитного поля и элек- электрического тока. Благодаря тому, что диаф- диафрагма такого телефона возбуждается по всей поверхности, он очень эффективен, имеет рав- равномерную частотную характеристику и нич- ничтожные нелинейные искажения. Некоторое распространение в настоящее время получили электростатические телефоны (см. рис. 6.2, а). Между двумя неподвижны- неподвижными перфорированными для пропускания звука пластинами 2 находится подвижная пластина /, подсоединенная к одному из выводов источ- источника постоянного напряжения (напряжения поляризации), равного практически в сред- среднем 100 В. Другой вывод источника напряже- напряжения поляризации подсоединен к средней точке вторичной обмотки трансформатора, к вьь водам которой присоединены неподвижные пластины. Первичная обмотка трансформатора присоединена к выходу усилителя. Все плас- пластины находятся в корпусе, снабженном амбу- амбушюром, как и другие типы телефонов (рис. 6.14, а). Конструкции телефонов пред- предусматривают, чтобы напряжение поляриза- поляризации не могло попасть на слушателя. Электростатический телефон обладает вы- высокими качественными показателями. Рис. 6.14. Телефоны: а — электростатнстнческнй: / — крепление капсюля; 2 — корпус; 3 — капсюль; 4 — внутренний объем; 5 — защитная мембрана; 6— защитная решетка; 7 — отверстие в прокладке; 8 — мягкий амбушюр; б — пьезоэлектрический: У —диафрагма; 2 — мягкий ам- амбушюр; 3 — мягкая подушка их поропласта, при- прикрытая с тыльной стороны перфорированной пла- пластинкой 131
~ Таблица 6.6. Основные параметры отечественных телефонов Тип Частотный диапазон, Гц Модуль электриче- электрического сопротивле- сопротивления, Ом Отдача средняя, Па Габаритные размеры, мм Масса, г Назначение ТК-67-Н ТКЭД-7 ТА-4 ТК-47 ТА-56М ТГ-7М ТГ-9 ТМ-4 ТМ-2 ТМ-3 ДЭМ-4М 300...3400 300...3400 300...4000 300...3000 300...3000 300...3000 200...6000 300...3000 300...3000 300...3000 300...3000 260 260 65 2200 130 300, 600, 10 000 150 5000 12 000 50 450 600 Электромагнитные 8... 14 14...21 15 3 15... 17 5,5... 10 8... 14 на 1 В 6 4 1,7 4,5 28 0 48X25 0 48X24,5 0 51X24,5 0 42X14 0 24X21,5 0 65X180X125 0 42X165X135 0 15X22 0 22X11,7 0 55X30 Электродинамические 60 60 60 35 150 170 170 100 20,0 160 В телефонном аппарате То же То же, и в аппаратной свя- связи То же В аппаратной связи То же В радиоприемнике То же, вкладной . В слуховом аппарате В аппаратной связи ТДК-1 ТД-6 12А-25 100...5000 100...5000 40...16 000 160 140 60 10 на 1 В 10 на 1 В 6 на 1 В 0 52X26 0 52X26 115 ПО 365 То же Измерительный для конт- контроля звукозаписи Для контроля звукозаписи
Таблица 1 Тип телефона ТДС-1 ТДС-2 тдс-з ТДС-4 ТДС-5 ТДС-6 ТДС-7 ТПС-1 ТДС-9 ТДС-10 ТДС-11 ТДС-12 ТДС-13 ТДС-14 ТДС-15 ТДС-17 ТДС-22 з.ба. Основные параметры отечественных стереофонических головных телефонов Диапазон воспроиз- воспроизводимых частот, Гц 40...16 000 40...20 000 20...20 000 20...20 000 20...20 000 20...20 000 20...20 000 20...20 000 20...20 000 20...20 000 20...20 000 20...20 000 20...20 000 20...20 000 20...20 000 20...20 000 20...22 000 Номиналь- Номинальное электри- электрическое со- противле- противление, Ом 10 100 8 16 100 8 8 4000 пФ 32 8 8 8 40 40 16 100 100 Отдача средняя, дБ/мВт 94 94 94 94 90 94 91 94 94 94 94 94 104 104 91 94 94 Принцип преобразования Динамический > Головка 0.5ГД-36 Головка О.5ГД-5О Ортодинамический Динамический Изодинамический Пьезопленочный Капсюльный динамический Головка 0.5ГД-54 То же » Капсюльный динамический То же Изодинамический Капсюльный динамический То же Максималь- Максимальная шумо- шумовая мощ- мощность, мВт 500 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 50 100 Масса, г 500 . 350 420 400 65 300 270 300 45 80 300 60 16 Особенности конструкции Прижимной, закрытый Прижимной, открытый. Прижимной, закрытый То же Прижимной, открытый Прижимной^ закрытый То же , » Вкладной, открытый Прижимной, открытый То же » Вкладной, открытый
В последнее время 6 связи с разработкой пьезоэлектрических синтетических пленок появились пьезоэлектрические телефоны. Фир- Фирма «Пайонир» (Япония) применяет для своих телефонов поливинилиденфлуоридную плен- пленку. Эту пленку можно делать разной толщи- толщины (8...30 мкм). Она имеет малую жесткость и удовлетворительные пьезоэлектрические па- параметры. Конструкция пьезоэлектрческого те- телефона на основе пленки изображена на рис. 6.14,6. Качество этого телефона доста- достаточно высокое. При этом он не требует напря- напряжения поляризации. Параметры наиболее рас- Магнитное поле пространенных телефонов приведены в табл. 6.6 и 6.6 а. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ГОЛОВКИ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ Наиболее распространенная конструк-' ция обычной электродинамической головки громкоговорителя показана на рис. 6.15, а, В кольцевом воздушном зазоре магнитной цепи, состоящей из постоянного магнита 7, верхнего 6 и нижнего 8 фланцев, керна 10, со- Направление выталкивания воздуха в) в) Рис. 6.15. Устройства головки электродинамического громкоговорителя (а) и магнит- магнитной системы изодинамического громкоговорителя (б): / — постоянные магниты; 2— перемычки из магнитомягкого железа; 3— магнитные силовые ли- линии; устройство подвижной системы излучателя-трансформатора (в), эскиз металлического диф- диффузора сотовой конструкции (г) и устройство коаксиальной двухполосной головки громкоговори- громкоговорителя (д): / — диффузор низкочастотной головки; 2 — рабочая ось обоих излучателей; 3 — проти- вопылевой акустически прозрачный колпачок; 4 — гофрированный верхний подвес НЧ диффузора; 5 — звуковая катушка НЧ головки, намотанная медным проводом прямоугольного сечения; б — звуковая катушка СЧ-ВЧ головки,, намотанная алюминиевым проводом; 7 — горло СЧ-ВЧ ру- рупора с противоннтерференционнымн каналами; 8 — диафрагма рупорной средне- высокочастот- высокочастотной головки; 9 — дополнительный шунт магнитной цепи, увеличивающий плотность магнитного потока в зазоре НЧ звуковой катушкн; 10 — центрирующая шайба (ннжннй подвес) НЧ, диффу- диффузора; // — днффузородержатель; 12 —. плазменный громкоговоритель фирмы «Магнат» (е) 134
ставляющих магнитопровод, в радиальном на- направлении проходит постоянный магнитный поток. В этом зазоре центрирована так назы- называемая звуковая катушка //, к которой с по- помощью особо гибких проводников 13 при- приложено переменное напряжение звуковой частоты. Звуковая катушка обычно имеет четное число слоев обмотки, чтобы ее начало и конец были с одной стороны. Ток, проходя че- через катушку, взаимодействует с постоянным магнитным потоком и создает электродинами- электродинамическую силу, приводящую в колебания ка- катушку и скрепленную с ней диафрагму (диф- (диффузор). 2. Диффузор, обычно бумажный, представляет собой конус, имеющий в основа- основании окружность или эллипс и прямую или кри- криволинейную образующую. По внешнему краю диффузор имеет гофрированный (верхний) подвес 3. Назначение верхнего подвеса — обеспечить диффузору возможность колебать- колебаться поршнеобразно в широком диапазоне час- частот и увеличить диапазон линейной зависи- зависимости сигнала — смещение диффузора. У своей вершины диффузор, а вместе с ним и зву- звуковая катушка удерживаются в коаксиаль- коаксиальном относительно воздушного зазора магнит- магнитной цепи положении с помощью центрирующей шайбы 4. Эта шайба также гофрирован- гофрированная, охватывает по внутреннему контуру вершину диффузора в месте прикрепления кар- каркаса звуковой катушки, а по внешнему — крепится к специальному кольцу или полке, выполненной на диффузородержателе 5. По- Последний является основой конструкции го- головки громкоговорителя. Для мощных широ- широкополосных и низкочастотных головок диффу- зородержатель изготовляют из силумина, а для менее мощных штампуют из листовой ста- стали. Диффузородержатель имеет окна (см. рис. 6.15, а), назначение которых — исклю- исключить возникновение стоячих волн с тыльной стороны диффузора. Вершина конуса диффу- диффузора заклеена противопылевым колпачком /, который может изготовляться как из акус- акустически прозрачного материала, так и из акус- акустически непрозрачного, жесткого, как на рис. 6.15, а. В последнем случае такой кол- колпачок выполняет также функцию дополни- дополнительного излучателя для высоких частот и с целью исключения появления компрессии воздуха под ним при больших амплитудах ко- колебаний диффузора, в каркасе звуковой ка- катушки делают антикомпрессионные отверстия 12. Для более эффективного отвода тепла от звуковой катушки мощные головки громко- громкоговорителей снабжаются радиатором 9, на- надеваемым на магнитную систему и имеющим ребра. Такой радиатор выполняет также функ- функции магнитного экрана, уменьшающего маг- магнитный поток рассеяния, и защитной крышки, предохраняющей хрупкий постоянный маг- магнит от случайных повреждений. Магниты изготавливают из материала с большой магнитной энергией. В СССР в на- настоящее время в основном используют три ви- вида материалов (см. § 4.6). Это — феррит бария марки 2БА для изготовления прессованных кольцевых магнитов. Материал имеет макси- максимальную удельную магнитную энергию 2 • 10е Гс • Э. В последнее время начали вы- выпускать, хотя и в незначительном объеме, маг- магниты из материала 3.2БА, в который входит стронций. Его максимальная удельная маг- магнитная энергия составляет 3,2 • 10е Гс • Э, т. е. в 1,6 раза больше, чем у 2БА, что дает возможность при равном объеме магнита по- получить индукцию в зазоре примерно в "]/3,2/2 = 1,25 раза большую или же иметь магнит в 1,6 раза меньшего объема. - Для литых магнитов применяют сплавы ЮНДК-24 и ЮНДК-25БА. Из первого маг- магнита, имеющего максимальную удельную маг- магнитную энергию 4 • 10е Гс • Э, отливают маг- магниты либо в форме колец (полых цилиндров), либо в форме цилиндров, используемых конст- конструктивно как керны. Иногда эти керны отли- отливают с суженной в форме груши верхней, частью для уменьшения утечки магнитного потока. Магниты льют также из сплава ЮНДК-25БА с максимальной магнитной энергией 6,4х X 10е Гс • Э. Магниты из него льют только керновые. Экономически выгоднее прессованные маг- магниты, несмотря на то что они имеют меньшую магнитную удельную энергию. Кроме того, в них не входят дефицитные материалы. Но поскольку они составляют внешнюю часть магнитной системы, то вокруг громкоговори- громкоговорителей, частью которых они являются, наблю- наблюдается заметный поток рассеяния, что недо- недопустимо при применении этих громкоговори- громкоговорителей в телевизорах, где поток утечки иска- искажает «картинку», в радиоприемниках с маг- магнитной антенной,где он изменяет настройку, и в магнитофонах, где при близком рас- расположении от магнитной ленты он «зашумля- ет» последнюю. Эти соображения следует иметь в виду при выборе головки громкоговорителя для того или иного применения. Детали маг- нитопровода (фланцы, керн, если но не явля- является магнитом, полюсный наконечник) жела? тельно делать из магнитомягкого материала с возможно большой магнитной проницаемо- проницаемостью для уменьшения сопротивления магнит- магнитному потоку. Несмотря на то что такие мате- материалы выпускают (например, пермендюр), из экономических и технологических сообра- соображений применяют обычные малоуглеродис- малоуглеродистые стали СТ-3 и СТ-10, не применяя терми- термической обработки (отжига) деталей из них. Звуковую катушку изготавливают из мед- медного провода марки ПЭЛ. Витки ее скреп- скрепляют между собой и каркасом (обычно из ка- кабельной бумаги) клеем. Редко для звуковых катушек высокочастотных головок громко- громкоговорителей для уменьшения массы катушки применяют алюминиевый провод. Диффузор является важнейшей частью го- головки громкоговорителя. Его форма и мате- материал оказывают большое влияние на ее харак- характеристики. В настоящее время наиболее упот- употребительный материал— сульфатная или суль- сульфитная целлюлоза» в некоторых случаях с оп- определенными добавками. Диффузоры изго- 135
а) Рис. 6.16. Головка громкоговорителя низкочастотная 25ГД-26: а — внешний вид; б — устройство тавливают методом литья (осаждения) водной суспензии размытых волокон целлюлозы на сетку, имеющую форму диффузора. После просушивания диффузоры подвергают уплот- уплотнению путем прессования. В более дешевых головках громкоговорителей вместе с диффу- диффузором отливается и подвес, конструктивно являющийся его частью, но имеющий мень- меньшую толщину. В более дорогих головках гром- громкоговорителей подвес изготавливают из спе- специальных сортов резины или пенополиурета- пенополиуретана. Конструкции диффузорных электродина- электродинамических головок громкоговрителей, вооб- вообще говоря, сходны между собой, имея лишь некоторые конструктивные различия. Поэто- Поэтому опишем лишь некоторые их типы отечест- отечественного производства, а именно: низкочас- низкочастотную 25ГД-26, высокочастотную 2ГД'36 и головку громкоговорителя широкого при- применения 2ГД-38. Головка громкоговорителя 25ГД-26 (рис. 6.16) диаметром 200 мм предназначает- предназначается для применения в качестве низкочастот- Рис. 6.17. Головка громкоговорителя высоко- высокочастотная 2ГД-36 ного звена излучающих акустических систем. В В ее магнитной системе используется магнит кольцевой формы / из сплава ЮНДК-24. В воздушном зазоре магнитной системы на- находится звуковая катушка 4 диаметром 40 мм с обмоткой в два слоя из 85 витков медного провода ПЭЛ 0,27. Катушка приклеена к круг- круглому бумажному диффузору с криволинейной образующей 2. Примерно в этом же месте с внешней стороны диффузор охватывается плоской гофрированной центрирующей шай- шайбой 5. Выводы от звуковой катушки припаяны к контактной планке 6, закрепленной на диф- фузородержателе 6\ По внешнему периметру диффузор приклеен к кольцевому подвесу 7, опрессованному из резины на основе натураль- натурального каучука. Поперечный профиль подвеса — полуокружность. По внешнему периметру подвес приклеен к диффузородержателю. По внутреннему периметру диффузора несколька выше линии приклеивания катушки к нему приклеен колпачок 3, имеющий форму шаро- шарового сегмента и предназначенный для защиты от попадания в воздушный зазор пыли. Кроме того, он способствует выраниванию частотной характеристики в области 2000...5000 Гц. Все основные параметры головки грокоговори- теля приведены в табл. 6.7. Высокочастотная головка громкоговори- громкоговорителя 2ГД-36 имеет (рис. 6.17) эллиптическую форму с размерами осей 50 х 80 мм. Она пред- предназначена для применения в излучающих акустических системах. В ее магнитной сис- системе использован магнит керновой формы из сплава ЮНДК-24. Диаметр звуковой ка- катушки 15 мм намотана проводом ПЭЛ 0,1. Диффузор имеет криволинейную образую- образующую и гофрированный подвес с поперечным профилем в виде синусоиды, отличый вместе с диффузором. Основные параметры головки приведены в табл. 6.7. Головка громкоговорителя 2ГД-38 (рис. 6.18) предназначена для широкого при- 136
н as О» s i Pi ¦o IS •3 tOCOCOtOrfbCOCOCO кэслсоюслсососл ppppoppppppppwSrtUjyochwoSpppppppwppuipwutwpp OOOOOOOO О OO OOOOOOOOOO О О' ю*о! (Л <ф <Л <© < ООЭОЭ^- I I ^-м-— м- ы- ю to tO >— н- tO tO tO м- Ю ^- *- ОООСЛМОООМСЛСПООМОООЮОмООООМРоООоОООООСЛМ00 о о о о елооооелоооелоел о елОоо оо ^-<?>ОЭ00 "ел о'ел "елЪо О ""OOOOOO>ip) ^Э^"* tOiO | сл ел ел S8x 8SS p « ¦3 i ж о illli
Рис. 6.18. Головка громкоговорителя широко- широкополосная 2ГД-38 менения в открытых излучающих акустичес- акустических системах радиоприемников, телевизоров, магнитофонов, проигрывателей и т. п. Она имеет эллиптическую форму с размерами осей 160 х ЮО мм. В ее магнитной цепи ис- использован керновый магнит и» сплава ЮНДК-24. Диаметр звуковой катушки 15 мм; намотана она проводом ПЭЛ 0,1; 75 витков. Подвес, отливаемый совместно с диффузором, имеет тангенциальный поперечный профиль. Основные параметры головки громкоговори- громкоговорителя приведены в табл. 6.7. Помимо изодинамических телефонов в по- последнее время появились и изодинамические головки громкоговорителей в основном для излучения звука на средних и высоких часто- частотах. Примером такого громкоговорителя яв- является выпускаемая у нас в стране высокочас- высокочастотная головка 10ГИ-1. Находятся в стадии разработки и другие типы изодинамических головок. В отличие от показанного на рис. 6.13, виг устройства изодинамического телефона, магнитные системы и диафрагмы изодинамических головок громкоговорите- громкоговорителей имеют, как правило, прямоугольную форму. Идея создания плоского диффузора, на котором действие электродинамической си- силы было бы распределено по всей поверх- поверхности, принадлежит Риггеру A924 г.), соз- создавшему так называемый блатхаллер. В этом громкоговорителе к плоскому диффузору прикреплялась поставленная на ребро изог- изогнутая зигзагами металлическая лента, пря- прямолинейные участки которой входили в воз- воздушные зазоры сложной магнитной системы. По ленте пропускался ток звуковой частоты. Эта идея, однако, значительно опередила технические возможности своего времени, так как только теперь получены различные очень легкие и прочные пленки из полимеров, на ко- которых методом травления можно создавать токопроводящие покрытия любой конфигу- конфигурации — звуковые катушки. Диафрагму с на- нанесенной на ее поверхности звуковой катуш- катушкой помещают между двумя плоскими магни- магнитными системами, обращенными друг к другу одноименными полюсами постоянных маг- магнитов, выполненных в виде прямоугольных брусков, Конструкция магнитной системы изодинамического громкоговорителя приведе- приведена на рис. 6.15, б. Известен еще один вид громкоговорителя» который также можно отнести к изодинамичес- кому, — это так называемый излучатель-транс- излучатель-трансформатор, изобретенный в США докто- доктором О. Хейлом. Диафрагма этого громкогово- громкоговорителя выполнена, как и у изодинамичес- изодинамических, из тонкого пластического материала с на- нанесенной на нее токопроводящей шиной в ви- виде вертикальных зигзагов. Однако здесь на- направление магнитных силовых линий перпен- перпендикулярно плоскости диафрагмы, и в таком виде возникающая электродинамическая си- сила стремится сжать или растянуть диафраг- диафрагму и никакого излучения звука не происхо- происходит. С целью придания диафрагме подвижности ее гофрируют, создавая на ней складки на- наподобие складок занавеса таким образом, что- чтобы шина вниз проходила по одной стороне складки, а возвращалась вверх по другой ее стороне и так далее по всем складкам рис. 6.15, в. При такой организации диафраг- диафрагмы электродинамическая сила заставляет складки стягиваться или раскрываться, как меха аккордеона, в результате чего из про- пространства между складками выталкивается или втягивается воздух, т. е. происходит излучение звука. Свое название такой громкоговори- громкоговоритель получил вследствие особенности работы: выталкивание воздуха подобно действию воз- воздушного трансформатора. Конструктивно гоф- гофрированная в производственных условиях диафрагма натянута на специальную рамку, которую потребитель может легко заменить в случае выхода из строя в процессе эксплуа- эксплуатации. Громкоговоритель имеет массивную маг- магнитную систему, полюса которой изготовлены в виде гребенки с горизонтальным расположе- расположением гребней. Это сделано с целью демпфиро- демпфирования объема воздуха, заключенного между диафрагмой и магнитной системой. Такой громкоговоритель применяют для излучения средних и высоких частот (примерно от 700 Гц), и при этом обеспечивается высокое качество звучания, благодаря малой массе колеблю- колеблющихся участков диафрагмы и, следовательно, высокой скорости срабатывания. В последние годы были созданы головки громкоговорителей практически всех типов с плоскими металлическими диффузорами так называемой сотовой конструкции. Магнит- Магнитная система таких головок ничем не отлича- отличается от традиционной, показанной на рис. 6.15, а. Диффузор таких головок пред- представляет собой два листа алюминиевой фоль- фольги (рис. 6.15, г), между которыми располо- расположены поставленные на ребро » изогнутые в виде пчелиных сотов полоски такой же алю- алюминиевой фольги. Весь диффузор собран на клею и представляет собой чрезвычайно жест- жесткую и легкую конструкцию круглой или квад- квадратной формы, периметр которой снабжен подвесом, закрепляемым на диффузородержа- теле. Привод от звуковой катушки к плоскому диффузору осуществляется через легкий ме- металлический усеченный конус, диаметр кото- 138
рого у вершины выбирается в соответствии с диаметром звуковой катушки, а со стороны, обращенной к диффузору, — исходя из рас- распределения изгибных волн на поверхности диффузора. В месте крепления конуса к зву- звуковой катушке прикрепляют центрирующую шайбу (нижний подвес головки). Выбор места прикрепления приводного конуса к диффузо- диффузору позволяет расширить область поршне- поршневого действия диффузора до 800...900 Гц, в то время как у обычных низкочастотных голо- головок громкоговорителей с бумажными диф- диффузорами область поршневого действия не превышает 300...400 Гц. У нас в стране вы- выпускают акустическую систему «Эстония» 35АС-021, в которой применяют головки гром- громкоговорителей с сотовыми диффузорами. Помимо головок громкоговорителей с ме- металлическими диффузорами сотовой конст- конструкции, у иас выпускают также линейку головок громкоговорителей с металлическими диффузорами другой конструкции, используе- используемую в акустических системах «Электрони- «Электроника» типа 100АС-060, 50АС-061, ААС-062 и ЮОАС-063. Эта линейка головок громкогово- громкоговорителей не включена в табл. 6.7, поскольку они отдельно не поступают в розничную тор- торговлю. Металлический диффузор низкочастотной головки выполнен в виде конуса из пористого никеля с пористостью 98 % и заклеен снару- снаружи алюминиевой фольгой для придания ему воздухонепроницаемости. При диаметре го- головки 300 мм масса подвижной системы не превышает 45 г, что позволяет обеспечить уровень характеристической чувствительности 92 дБ/м"^/Вт- С учетом неизбежных потерь в разделительном фильтре характеристическая чувствительность перечисленных выше акус- акустических систем «Электроника» составляет 90 дБ/м"|/Вт. Среднечастотная головка имеет куполообразный алюминиевый диффузор, а диафрагма высокочастотной головки изго- изготовлена также из алюминиевого сплава в виде кольца. Поскольку эти акустические системы способны развивать большое звуковое давле- давление при высоком качестве звучания, то их можно с успехом применять не только в быту, но и во дворцах культуры, клубах, на диско- дискотеках и т. п. Еще одним важным достоинством гром- громкоговорителей с металлическими диф- диффузорами является высокая степень повторяе- повторяемости (идентичности) основных параметров от образца к образцу. Нельзя не упомянуть еще об одной конст- конструкции коаксиальной двухполосной го- локи громкоговорителя, разработанной и вы- выпускаемой на протяжение многих лет англий- английской фирмой «Тайной». Такие громкоговори- громкоговорители применяют в нашей стране в основном для профессиональной звукозаписи, на телеви- телевидении и в кинопроизводстве. Особенностью конструкции головки является соединение в одном блоке низкочастотной головки громко- громкоговорителя диффузбрного типа и рупорной средневысокочастотной головки, имеющей автономную подвижную систему с куполооб- куполообразной диафрагмой. Низкочастотный диффу- диффузор, имеющий криволинейную образующую, служит также в качестве продолжения высо- высококачественного рупора, излучение которого происходит через центральную часть керна магнитной системы низкочастотного головки, в которой высверлено конусообразное отверстие. Сигнал звуковой частоты поступает на такую головку через разделительный фильтр. Ра- Рабочая полоса средне-высокочастотной голов- головки простирается до 18 кГц. Такой громкого- громкоговоритель выпускают в нескольких модифика- модификациях, отличающихся главным образом диа- диаметром низкочастотной головки. Он обеспечи- обеспечивает очень высокое качество звучания при высокой эффективности (до 94 дБ/м^Вт.) Раз- Разрез конструкции коаксиальной головки при- приведен на рис. 6.15, д. Существует еще один вид излучателей звука — так называемый ионизационный гром- громкоговоритель. Если считать достоинством ма- малую массу подвижной системы в любом гром- громкоговорителе, то ионизационный громкогово- громкоговоритель совсем не имеет подвижной системы и воздух возбуждается сам, будучи предвари- предварительно ионизирован с помощью, например, высокой температуры, создаваемой в опре- определенном объеме. Изменяя мощность высоко- высокочастотного сигнала, являющегося источником высокой температуры, в соответствии с на- напряжением звукового сигнала, т. е. осуществ- осуществляя модуляцию, получаем ионизационный громкоговоритель. В настоящее время иони- ионизационные или плазменные высокочастотные громкоговорители выпускает, например, фирма «Магнат» ФРГ. Громкоговоритель имеет марку МР-02 и представляет собой акустичес- акустически прозрачную металлическую сферу, в центре которой расположен металлический электрод. При включении громкоговорителя над элек- электродом внутри сферы возникает фиолетовое излучение — образуется плазма, объем плаз- плазмы порядка 1 см'. Конструктивно громкогово- громкоговоритель объединен с усилителем-генератором. Диапазон рабочих частот такого громкогово- громкоговорителя 5... 100 000 кГц, нелинейные искажения не превышают 1 % при уровне звукового дав- давления 90 дБ, внешний вид приведен на рис. 6.15, е. Довольно широкое применение для озву- озвучения, командной и диспетчерской связи имеют рупорные громкоговорители. Устройство элек- электродинамического рупорного громкоговорите- громкоговорителя отличается от устройства диффузорного тем, что либо к диффузору примыкает.рупор, назначение которого в данном случае — слу- служить концентратором последовательно, уве- увеличивать звуковое давление на оси рупора, либо со звуковой катушкой скрепляют диаф- диафрагму обычно куполообразной формы, а по периферии — гофрированный подвес. Диаф- Диафрагма через акустическую камеру, представ- представляющую собой объем воздуха с входным се- сечением, равным поверхности диафрагмы Sfl, своим выходным сечением примыкает к горлу рупора площадью S9. Эта камера играет роль 139
Рис. 6.19. Рупорный громкоговоритель 10ГРД-1У-5: о — внешний внд; б — устройство: / — противоннтерференционный вкладыш; 2 — куполообразная диафрагма; 3 — подвес; 4 — воздушный зазор магнитной системы; 5 — верхний фланец; 6 — по- постоянный магнит; 7 — нижний фланец; 8 — керн с полюсным наконечником; 9 — звуковая катуш- катушка; -10 — камера; // — горло рупора;* в — аналоговая электрическая схема, SofSa — акустический коэффициент трансформации камеры; 5д — площадь диафрагмы; 50—площадь горла рупора; г — сопротивление излучения рупора; т0, с0 — масса и гибкость подвижной системы; с, — гиб- гибкость воздуха в камере; г' — приведенное сопротивление излучения акустического трансформатора с коэффици- коэффициентом трансформации So/Sfl, согласующего ме- механическое сопротивление подвижной систе- системы громкоговорителя с входным механичес- механическим сопротивлением рупора, являющимся, по существу, сопротивлением нагрузки. По- Поскольку конструктор имеет возможность изме- изменять коэффициент трансформации в широких пределах, то можно выбрать такой режим на- нагрузки подвижной системы, при котором будут достигнуты выгодные условия передачи энер- энергии колебаний рупору. В качестве примера их конструкции рассмотрим широко распростра- распространенный громкоговоритель 10ГРД IV-5 (рис. 6.19, а). Устройство его головки пока- показано на рис.' 6.19, б. Аналоговая электрическая схема громко- громкоговорителя представлена на рис. 6.19, в, где через п = S0/5fl обозначен коэффициент акустической трансформации камеры; Sfl — площадь диафрагмы; So — площадь горла рупора; г0 — его сопротивление излучения, приведенное к горлу,; т0, с0 — масса и гиб- гибкость подвижной системы; сх — гибкость воз- воздуха в камере. Параметры громкоговорителя приведены в табл. 6.8. Примером рупорного громкоговорителя без камеры, или, как его иначе называют, громкоговорителя с широкогорлым рупором, является громкоговоритель 25ГРДШ-2 (рис. 6.20, а). У него прямой (не свернутый) рупор примыкает прямо к диффузору подт движной системы. Увеличение звукового дав- давления на оси по сравнению с диффузорным громкоговорителем достигается здесь только из-за концентрации звуковой энергии рупо- рупором. Из других, типов выпускаемых рупорных громкоговорителей отметим еще 10ГРД-6ИГАС (рис 6.20, б), 25ГРД1У-5 (рис. 6.20, в), 25ГРД—7ВЗГ (рис. 6.20, г). Первый из них предназначен для использования в искробез- опасных системах громкоговорящей связи в 140 условиях, опасных по содержанию газов и пыли. Характерная особенность его конст- конструкции в том, что блок, наполненный сталь- стальными шариками, устанавливается в горле ру- рупора. Эти шарики не препятствуют прохож- прохождению звуковых колебаний, но противодей- противодействуют возможности проникновения во вне искры, которая может возникнуть в элект- электрической цепи громкоговорителя и вызвать взрыв в окружающей среде. Громкоговоритель 25ГРД IV-5 предназначен для использования в запыленных помещения с химически агрес- агрессивными веществами, способными разрушить детали громкоговорителя, и в первую очередь его подвижную систему. Громкоговоритель 25ГРД-7ВЗГ предназначен для применения в помещениях с взрывоопасными средами. Его конструкция рассчитана на устойчивость при взрыве. Технические данные всех этих гром- громкоговорителей даны в табл. 6.8. Кроме конструктивно завершенных изде- изделий, какими являются описанные выше ру- рупорные громкоговорители, имеются их типы, входящие в качестве составных элементов в ряд систем. Так, например, основой электро- электромегафона ЗПЭМ-5 (рис. 6.21), служащего для передачи -команд и т. п., является электроди- электродинамический громкоговоритель мощностью 3 Вт со свернутым рупором. Неравномерность его частотной характеристики 10 дБ в номи- номинальном диазпазоне 710...3150 Гц и развива- развивает звуковое давление в номинальном диапазо- диапазоне при полной мощности 6,5; Па на расстоя- расстоянии 1 м. Его сопротивление на частоте 1000 Гц равно 20 Ом ± 10 %. Особое внимание в конструкции электро- электромегафона уделяется выбору и размещению микрофона, что очень важно для предотвраще- предотвращения акустической обратной связи в системе микрофон — усилитель — громкоговоритель — воздух. С этой целью в электромегафоне при- применен микрофон ДЭМШ, который укреплен так, что рот говорящего находится перед ним
Таблица 6.8. Основные параметры отечественных рупорных и радиальных гром коговорител ей Тип Номинальные мощность, Вт напряже- напряжение, В Модуль сопротивле- сопротивления, Ом Рабочий диапазон частот, Гц Неравно- Неравномерность АЧХ, дБ Среднее стандарт- стандартное звуко- звуковое давле- давление* Па Габаритные размеры, мм Масса, кг Назначение Рупорные 10ГРД-1У-5 10ГРД-1У-6 10ГРД-6ИГАС 25ГРД-Ш-2 25ГРД-1У-5 25ГРД7-ВЗГ 50ГРД-Ш-8 ЮОГРД-ИЫ 10 10 3 25 25 10 25 50 100 30 120 240 30 120 . 240 6,5 30 120 240 30 120 240 30 30 30 120 240 30 120 240 90 1440 5760 90 1440 5760 14 36 576 2304 36 576 2304 90 3& 18 288 1152 9 144 576 300...3550 500...3550 500...3550 200...4000 500...3550 500...2000 200...4000 200...4000 Радиальные 15 15 15 15 15 18 15 15 1,5 1,5 1,25 0,8 1,5 1,2 0,7 1,5 524X476X390 374X333X420 374X333X420 530X410X735 317X333X415 400X446X352 550X410X270 1167X896X740 и 1018X714X740 6 13 12 22 17 43 Для озвучения Для озвучения, пылехимостойкий Искробезопасный Для озвучения То же Взрывобезопасный Для озвучения То же 10ГДН-1 25ГДН-1 10 25 30 120 240 30 120 240 90 1440 5760 36 576 2304 800...8000 80...8000 16 16 0,18 0,25 0 620X520 0 788X667 15 26 Для озвучения То же
в непосредственной близости, гораздо ближе устья рупора громкоговорителя. Кроме того, ось рупора находится в плоскости нулевой чув- чувствительности микрофона. Все это и обес- обеспечивает отсутсвие акустической обратной свя- связи. Применяют рупорные громкоговорители и в качестве высокочастотных звеньев много- многополосных акустических систем. На рис. 6.22 в качестве примера приведен внешний вид вы- высокочастотного |3вена двухполосной акусти- акустической системы для кинотеатров. Обращает на себя внимание, что отдельные рупоры соб- собраны здесь в «соты» и их устья расположены по сферической поверхности. Это сделано для расширения характеристики направленности, без чего изображенный комплект высокочас- высокочастотных рупоров излучал бы звук узким пуч- пучком, и поэтому для всех направлений, отлич- отличных от осевого, уровень высоких частот от- относительно низких был бы очень малым. Динамические диффузорные головки гром- громкоговорителей, как правило, не применяют без акустического оформления, необходимого для получения от них удовлетворительных ре- результатов. Причина этого в том, что при коле- колебаниях диффузора без оформления сгущения воздуха, образуемые одной его стороной, ней- нейтрализуются разрежениями, образуемыми другой его стороной. Применение же какого- либо оформления удлиняет путь колебаний воздуха между передней и задней сторонами диффузора, вследствие чего фазы соответст- соответствующих колебаний отличаются уже не на 180°^ а на меньший угол, благодаря чему указанной выше нейтрализации колебаний не наступает. Это особенно важно на низких частотах, где размеры диффузора слишком малы по срав- сравнению с длиной волны. Поэтому применение оформлений сильно увеличивает эффектив- эффективность излучения на низких частотах. По кон- конструкции оформлений, образующих совмест- совместно с головками громкоговорителей акустичес- акустические системы, их можно разделить на встроен- встроенные и выносные. Встроенные системы отлича- отличаются тем, что одна или несколько головок громкоговорителей устанавливаются в том аппарате, оконечным звеном которого они яв- являются. Такими системами обладает большин- большинство типов радиоприемников, магнитофонов, электрофонов. Выносные системы, как ука- указывает их название, предстваляют собой от- отдельную конструкцию, включаемую электри- электрически на выход одного из вышепреречислен- ных аппаратов, или усилитель низкой частоты, в свою очередь, являющийся оконечным элек- электрическим звеном электроакустического трак- тракта. По области применения выносные системы можно разделить на абонентские громкогово- громкоговорители радиотрансляционных сетей провод- проводного вещания, акустические системы быто- бытовой радиоэлектронной аппаратуры, звуковые колонки, имеющие в основном профессиональ- профессиональное применение. Для профессиональных целей находят применение и так называемые ради- S) 3) Рис. 6.20. Рупорные громкоговорители: а — 25ГРД-Ш-2; б - 10ГРД-6 ИГАС; в — 25ГРД-1У-5; г - 25ГРД-7ВЗГ 142
альные громкоговорители, предназначенные для ненаправленного в горизонтальной плос- плоскости излучения. Устройство абонентских громкоговорите- громкоговорителей просто. На передней стенке обычно пря- прямоугольного корпуса укрепляется головка громкоговорителя. Для абонентских громкого- громкоговорителей III класса, в основном выпускае- выпускаемых промышленностью, применяются головки громкоговорителей типа 0.5ГРД42, ранее 1ГД-30. На переднюю или боковую стенку вы- выходит ручка регулировки громкости, включае- включаемая в первичную (высокоомную) обмотку трансформатора, подключенную к абонентской сети. Во вторичную (низкоомную) обмотку включается головка. Внутренний объем кор- корпуса абонентского громкоговорителя 2...4 л. Внутренний объем громкоговорителя II клас- класса — 4...6 л. В качестве примера акустических систем бытовой аппаратуры рассмотрим трехполос- трехполосный громкоговоритель типа 35АС-013; внеш- внешний вид которого показан на рис. 6.23, а ос- основные технические характеристики приведены в табл. 6.9. К особенностям данного громко- громкоговорителя относится применение электроме- электромеханической обратной связи (ЭМОС), для реали- реализации которой была разработана низкочастот- низкочастотная головка ЗОГД-6, снабженная пьезоэлек- пьезоэлектрическим датчиком, механически связанным со звуковой катушкой головки. Применение ЭМОС позволило более.чем на 40 %, уменьшить внутренний объем-громкоговорителя закрытого типа по сравнению с фазоинвертором при одинаковой низшей рабочей частоте и, помимо этого, снизить нелинейные искажения на низ- низких частотах. К другим особенностям гром- громкоговорителя можно отнести наличие встроен- встроенного усилителя звуковых частот вместе с ис- источником питания. На выходе усилителя вклю- включен пассивный разделительный трехполос- трехполосный фильтр с частотами разделения 500 и 5000 Гц, аналогичный всем акустическим системам, в состав которых входят головки 15ГД-11А и ЮГД-35. В качестве примера звуковых колонок опишем звуковую колонку 15КЗ-1, предназ- предназначенную для воспроизведения в основном речи на открытом воздухе (рис. 6.24). В ее металлическом кожухе на общей доске по вертикали установлены четыре диффузорных электродинамических громкоговорителя типа 4ГД-8Е. В кожухе установлен трансформатор с отводами, выведенными на плату. Благода- Благодаря возможности переключения можно исполь- использовать колонку на 5,10 и 15 Вт при линейном напряжении сети 30 или 120 В. Колонка ком- комплектуется поворотным устройством, позво- позволяющим изменять наклон ее рабочей оси. Благодаря большому стандартному зву- звуковому давлению колонка может обеспечить довольно высокий уровень 111 дБ при мини- минимальной мощности, что позволяет использо- использовать ее для озвучения сравнительно больших площадей и на довольно большие расстоя- расстояния — до 30...40 м при умеренных уровнях окружающих шумов. Основные параметры Рис. 6.21. Электромегафон ПЭМ-5 ШОВ пи Рис. 6.22. Высокочастотное aieeHO профессио- профессионального двухполосного громкоговорителя Рис. 6.23. Акустическая система 35АС-013 Рис. 6.24. Звуковая колонка 15КЗ-1 143
Таблица 6.9. Основные параметры отечественных акустических систем Тип акустической системы ЗАС-311 ЗАС-312 6АС-221 6АС-322 ЮАС-318 10АС-211 ЮАС-203 iOAC-222 15АС-213 15АС-214 15АС-232 15АС-109 15АС-110 25АС-109 25АС-126 25АСЭ-101 25АС-131 25АС-128 25АС-132 25АС-027 Тип комплектующих головок громкоговорителей — — — — 10ГДШ-1 10ГДШ-1 25ГДН-1, 6ГДВ-1 25ГДН-3, 6ГДВ-3 25ГДН-4, 8ГДВ-1 25ГДН-4, 8ГДВ-1 25ГДН-3, 15ГДВ-1 25ГДН-3, 15ГДВ-1 35ГДН-1, 20ГДС-4, 5ГДВ-1 35ГДН-1, 15ГДВ-1 Электростатические 50ГДН-3, 10ГИ-1 50ГДН-3, 15ГДВ-1 50ГДН-3, 20ГДС-4, 15ГДВ-1 75ГДН-1, 20ГДС-4 6ГДВ-4 Диапазон воспро- воспроизводимых частот, Гц 100... 12500 100... 12 500 63... 18 000' 63... 18 000 100... 12 500 63... 18 000 63... 18 000 63... 18 000 80...20 000 63...20 000 40...20 000 40...20 000 40...20 000 40...20 000 40...20 000 50...20 000 40...25 000 40...20 000 40...25 000 31.5...31 000 Неравномерность АЧХ,дБ 16 16 18 18 16 18 18 16 16 16 16 16 16 16 16 12 16 16 — 16 Уровень характе- ристичес- ристической чув- ствитель- ствительности, дБ/му^ 87 87 84 84 86 87 87 84 81 85 85 84 84 84 -84 96 на 10 В 87 84 84 86 Номиналь- Номинальное элек- электрическое сопротив- сопротивление, Ом 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 8 4 4 — 4 4 4 4 Макси- Максимальная шумовая мощность, Вт 5 5 10 10 10 • ю 10 30 25 25 25 25 25 50 40 20 Вольт 50 50 50 90 Габаритные размеры (высота, ширина, глубина), см или объем, дм' 2,0 2,0 14,0 14,0 12,0 34,0 34,0 37X21X18 7,2 31X19X19 19 36X22X19 36X22X19 48X29X27 48X29X27 92X62X36 52X30X26 28 29; 6,4; 2,2 62X36X32 Вид акустического оформления Открытое То же Фазоинвертор Закрытое То же » » Фазоинвертор То же Закрытое Фазоинвертор То же » Закрытое То же ¦* Закрытое То же Фазоинвертор Модульное Фазоинвертор Масса, кг 4,0 4,0 5,0 5,0 5,0 8,5 8,5 6,0 5,5 7,0 7,0 6.8 6,8 13,0 13,0 25,0 15,0 15,0 18,3 25,0
Окончание та б л. 6.9 Тип акустической системы Тип комплектующих головок громкоговорителей Диапазон воспро- воспроизводимых частот, Гц нсть я as1* Hepai АЧХ 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 12 12 12 12 Уровень характе- ристичес- ристической чув- ствитель- ствительности , дБ/м-j/i; 86 86 86 86 86 86 86 85 86 90 85 90 90 Номиналь- Номинальное электри- электрическое сопротив- сопротивление, Ом 4 4 4 4 4 4 4 4 4 8 4 8 8 47 кОм Макси- Максимальная шумовая мощность, Вт 90 70 90 90 90 70 90 90 90 100 150 100 75 Габаритные размеры (высота, ширина, глубина), ем или объем, дм* Вид акустического оформления 35АС-012 35АС-013 35АС-016 35АС-015 35АС-018 35АС-021 35АС-008 35АС-ДС-017 35АС-022 75АС-001 100АС-003 100АС-060 100АС-063 ААС-062 75ГДН-1, 20ГДС-4, 15ГДВ-1 ЗОГД-6, 20ГДС-4, 15ГДВ-1 75ГДН-1, 20ГДС-4, 15ГДВ-1 75ГДН-1, 20ГДС-4, 15ГДВ-1 75ГДН-1, 20ГДС-4, 15ГДВ-1 50ГДН-1, 20ГДС-2, 10ГДВ-1 75ГДН-1, 20ГДС-4, 6ГДВ-4 75ГДН-1, СЧ и ВЧ- электростати ческие 75ГДН-1, 2ОГДС-4, 15ГДВ-1 50ГДН-3, 20ГДС-4, 6ГДВ-4 100ГДН-1, ЗОГД-8, 10ГД-43 НЧ, СЧ и ВЧ головки с металлическими диффу- диффузорами 31Д..25 000 31.5...25000 31.5...25 000 31.5...25000 25...25 000 25...250О0 25...25000 25...25000 25...25000 25...31 000 20...30 000 25...25000 25...25000 25...25 000 71X36X29 58X33X24 71X27X37 71X36X29 76 57 71X40X36 107X36X35 83 92 123X48X40 91X47X45 76X39X31 76X39X31 То же СЭМОС Фазоннвертор То же, с ПН Фазоинвертор То же Закрытее Фазоннвертор Фазоинэертор То же Закрытое Фазоинвертор То же
Приведены в табл. 6.10. Устройство радиального громкоговорителя показано на рис. 6.25. В круглом кожухе с рымом наверху для подвеса заключены четыре диффузорных громкоговорителя, расположенных под угла- углами 90° друг к другу. Под основным кожухом находится также круглый отражатель, наз- назначение которого — сделать более равнбмер- ной характеристику направленности в вер- вертикальной плоскости. Технические данные ра- радиальных громкоговорителей приведены в табл. 6.8. Эксплуатация акустических излучающих систем не представляет каких-либо затруд- затруднений. Следует лишь следить, чтобы они ис- использовались в тех климатических условиях, которые указаны в технической документа- документации на них. В агрессивных, взрывоопасных и искроопасных средах можно применять лишь те громкоговорители, работа которых в этих условиях оговорена в их технических условиях. Естественно, что следует обере- оберегать акустические системы от механических повреждений и не подводить к ним напряже- напряжение, большее того, на которые они рассчи- рассчитаны. Специфическими повреждениями головок громкоговорителей и акустических систем яв- являются повреждения диффузора или куполо- куполообразной диафрагмы. Если они просто помя- помяты, то лучше всего восстановить ,их форму с ПОМОЩЫЬ ИГОЛКИ ДЛЯ ШИТЬЯ. Если в диафрагме или диффузоре образо- образовалось отверстие, то на него нужно положить заплату; на гофр — из тонкой (промокатель- (промокательной) бумаги, наклеенной с помощью резиново- резинового клея, а на коническую часть диффузора или диафрагму — из бумаги типа кабельной, приклеенной клеем БФ-4 или АК-20. Если оборвались выводы от звуковой катушки, то припаивать их нужно осторожно, следя за тем, чтобы канифоль или припой не растека- растекались по проводнику. В противном случае проводник потеряет гибкость и скоро слома- сломается. При подведении слишком большого на- напряжения катушка может сгореть, или с кар- Рис. 6.25. Радиальный громкоговоритель каса могут сползти витки, что заклинивает ка- катушку в зазоре. Ремонт при этом получается сложный, поэтому головки дешевых типов лучше просто заменить. Дорогие головки громкоговорителей (низкочастотные) лучше ремонтировать в специализированных пред- предприятиях. 6.5. КОНСТРУКЦИИ АКУСТИЧЕСКИХ ОФОРМЛЕНИЙ ПЛОСКИЙ ЭКРАН Наиболее простой вид оформления — плос- плоский экран. Даже при сравнительно неболь- небольших его размерах воспроизведение низких частот значительно улучшается. Вместе с тем в области средних, и особенно высоких, частот экран уже не оказывает существенного влияния. Конструктивно экран рекоменду- рекомендуется выполнять в виде толстой доски или фане- фанеры толщиной 10-20 мм, в которой вырезано отверстие по диаметру диффузородержателя головки громкоговорителя. В это отверстие последний и вставляется. Экран выполняют квадратной или лучше прямоугольной формы. Предпочтительное отношение сторон прямо- прямоугольника (ширина к высоте) 2 : 1...3 : 1. Что касается абсолютных размеров экрана, же- желательно, чтобы на нижней границе диапазо- диапазона частот, который акустическая система, долж- должна воспроизводить- (з& которую, црлесоовбраз- но принять резонансную частоту головки громкоговорителя), эквивалентный диаметр экрана (диаметр круга, площадь которого равна площади экрана) D = 0,5 "KJQ, где Ао — длина звуковой волны на нижней гра- граничной частоте диапазона; Q — добротность головки громкоговорителя на резонансной частоте (с.м. §.6.1). При таких размерах экрана частотная характеристика получается наиболее равномерной. Если экран не может быть таких размеров, то следует на нижней гра- граничной частоте диапазона ожидать спада N = =20 lg (D/Dt), гае D — вычисленный по вы- вышеприведенной формуле диаметр; Dx — фак- фактический диаметр. Пример. Резонансная частота головки громкоговорителя 85 Гц. Ее добротность 2. Требуется определить спад на резонансной частоте, если по конструктивным соображени- соображениям фактически эквивалентный диаметр ра- равен 0,5 м. Определяем желательный диаметр экрана D = 0,5 C43 : 85 • 2) = 1 м. При диаметре 0,5 м спад на нижней граничной частоте N = = 20 lg(l : 0,5) = 0,6 дБ. Размещать головку громокговорителя ре- рекомендуется в случае прямоугольного экра- экрана в его центре. Смещение от центра умень- уменьшает развиваемое звуковое давление и ухуд- ухудшает частотную характеристику. Для квад- квадратных экранов некоторое смещение места установки головки несколько улучшает час- частотную характеристику, хотя одновременно и снижает звуковое давление. Следует еще остановиться на том, как «врезать» головку в 146
Таблица Тнп 2КЗ-7 15КЗ-1 15КЗ-2 15КЗ-4 15КЗ-6 15КЗ-8 50КЗ-ЗМ 100КЗ-7 100КЗ-П 25КЗ-5 25КЗ-6 8КЗ-4 2КЗ-6 2КЗ-7 6КЗ-2 25КЗ-12 25КЗ-7 100 КЗ-13 *¦* Л. 6.10. Основные параметры отечественных звуковых колонок Тип и число комплектующих головок громкоговорителей 0.5ГД-31Х4 4ГД-8ЕХ4 4ГД-8ЕХ4 4ГД-8ЕХ4 4ГД-43Х4 ЗГД-42Х4 25ГД-18-22X2 25ГД-21Х2 25ГД-21Х2 25ГД-18-22X2 25ГД-25Х4 10ГД-21Х1 10ГД-22Х2 10ГД-21Х1 10ГД-22Х2 4ГД-47Х2 1ГД-42Х2 0.5ГД-30Х4 ЗГД-42Х2 10ГД-36ХЗ 25ГД-21Х2 10ГД-35Х4 25ГД-18-22X4 Рабочий диапазон, Гц 300...7000 200...5000 200...5000 200...5000 80... 12 500 160...8 000 80... 10 000 100...10 000 100... 10 000 80... 10 000 80... 10 000 150...8000 300...7000 300...7000 160... 18 000 63... 16 000 80... 14 000 80... 10 000 Неравномер- Неравномерность частотной характери- характеристики, дБ 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 18 18 18 Среднее стандартное звуковое давление. Па 0,45 0,6 0,6 0,6 0,3 0,6 0,9 0,7 0,4 0,5 0,5 0,85 0,85 0,5 0,4 0,3 0,5 0,7 Габаритные размеры, мм 684X120X73 643X325X245 730Х274ХИ8 725X274X100 301X651X179 780X280X140, 1360X394X264 1480X394X299 1193X362X294 1623X352X320 1433X320X270 340X300X230 320X307X260 423X188X124 394X132X94 600X120X75 520X230X140 730X280X240 974X340X280 1280X340X280 Материал оформления Металл Металл Дерево Дерево Дерево Дерево Металл Металл Металл Металл Металл Дерево Дерево Дерево Металл Дерево Дерево Металл Металл Масса, кг 3,8 10 10 10 11 8 40 45 25 15 15 7,5 3,7 4,0 7,0 26 45 60 Номинальная мощность, Вт 2 12,5; 6,25 12,5; 6,25 12,5; 6,25 12,5; 6,25 12,5; 6,25 50; 25 100 100 25; 12,5; 6,25 25; 12,5; 6,25 2; 4; 8 2 . 2 6,25 25; 12,5; 6,25 25; 12,5; 6,25 100,0
экран. Здесь настоятельно рекомендуется выполнять это так, чтобы передняя плоскость диффузородержателя (обычно поверхность картонных секторов) была заподлицо с перед- передней плоскостью экрана. В противном случае перед головкой образуется цилиндрическое углубление (род короткой трубы). Столб воз- воздуха находящийся в нем, может резонировать на ряде частот и тем самым ухудшать частот- частотную характеристику и качество звучания акус- акустической системы. Наконец, следует учесть, что головка громкоговорителя в экране, по существу, является открытой и поэтому мо- может легко покрываться пылью, Во избежание этого необходимо спереди.закрывать головку какой-либо радиотканью, удерживаемой ме- металлической рамкой, (круглой, эллиптичес- эллиптической, прямоугольной), притягиваемой к экрану, шурупами. Следует при этом обратить серьез- серьезное внимание, чтобы ткань была натянутой и ни в коем случае не резонировала, что можно обнаружить на глаз или на ошупь, подавая на громкоговоритель напряжение низкой час-, тоты от звукового генератора. Сзади, со сто- стороны магнитных цепей, на головку громкого- громкоговорителя рекомендуется надевать «юбочку», например из бязи. Встречаются описания акустических си- систем, в которых головка громкоговорителя вставляется в отверстие в стене комнаты, т. е. стена является экраном. Принципиально такое конструктивное решение выгодно, но при этом не надо забывать, что звучание акусти- акустической системы будет иметь место не только в той комнате, в которой акустическая система предназначена работать, но и в три, Куда выходит задняя сторона головки громко- громкоговорителя, что, конечно, не всегда жела- желательно. Если же такое решение возможно, то оно дает заметное улучшение частотной ха- характеристики и качество звучания, особенно на низких частотах. Разумеется, что и в этом случае в силе все вышеприведенные рекомен- рекомендации по врезанию головки громкоговори- громкоговорителя теперь уже в стену. Дополнительно м.е- шочек сзади головки следует сделать поболь- побольше (например, в виде полусферы с диаметром, равным диаметру головки) и набить его хлоп- хлопчатобумажной ватой, что предохранит от не- нежелательных резонансов. Естественно, что такую полусферу надо как-то замаскировать, чтобы она не портила вида той комнаты, в ко- которую она выходит. ОТКРЫТЫЙ КОРПУС Распространенный вид акустического оформления — открытый корпус. Он представ- представляет собой ящик, у которого задняя стенка или полностью отсутствует, или' же имеет ряд сквозных отверстий (например, из пер- перфорированного картона, пластмассовая со щелями или отверстиями и т. д.). Головки уста- устанавливаются обычно на передней стенке ящи- ящика. Его внутренний объем, как правило, ис- используется для размещения деталей электри- электрической схемы, например приемника. Акусти- Акустическое действие открытого оформления подоб- подобно действию экрана. Наибольшее влияНие на частотную характеристику акустической системы с открытым оформлением оказывают передняя стенка (на которой смонтированы головки громкоговорителей) и ее размеры. Вопреки распространенному мнению, боко- боковые стенки открытого оформления влияют на характеристику акустической системы мало. Таким образом важен не внутренний объем оформления, а площадь передней стенки. Раз- Размеры ее (эквивалентный диаметр передней стенки) из-за влияния боковых можно делать на 25...40 % меньше размеров экрана. Ко- Конечно, если оформление сделать очень глу- глубоким, то оно может начинать де