Text
                    • РАДИОисвязь-
СПРАВОЧНИК
АКУСТИКА

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 (03) Авторы: А. П. Ефимов, А. В. Никонов, М. А. Сапож- ков, 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 ред. 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 н передаче акустических сигналов; звукоусилению, озвучению помещений и студий, а также по электроакусти- ческому оборудованию, записи и воспроизведению звука; акустическим измере ниям, расчету некоторых процессов на ЭВМ. Даны графики, таблицы, форму лы и программы расчета. В отличне от первого издания (1979 г.) приведены сведения по цифровой записи и воспроизведению звука, дискотехнике н маг- нитной записи, звукофнкацни открытых пространств, речевой н вокодер ной связи. Для специалистов, эксплуатирующих и проектирующих средства связи, будет полезен студентам вузов н учащимся техникумов связи. 2303030000—135 046(01)—89 .’*1-6—89 ББК 32.841 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 А С. Широков Технический редактор Т. Н. Зыкина Корректор 3. Г. Галушкина ИБ Ji 1694 Сдано в набор 10.11.88. Подписано в печать 12.06.89. Т-07840 Формат 70X100/16. Бумага офсетная № 2. 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 саязь». 101000 Москва, Почтамт, а/я 693 Московская типография № 4 «Союзполиграфпрома» прн Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии н книжной торговли. 129041. 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- ющих в системе связи, звуковом вещании, телевидении, звукозаписи и воспроизведения, массовом радиообслуживании и т. п., а так- же работающих в эксплуатационных, проект- ных и научно-исследовательских организаци- ях и учреждениях связи и вещания, иа за- водах, выпускающих эту аппаратуру. Спра- вочник должен помогать студентам при кур- совом и дипломном проектировании. Поэтому справочник содержит ие только таблицы и графики с методикой расчета и их примера- ми, но и теоретические основы наиболее важ- ных вопросов Чтобы ие перегружать справоч- ник, пришлось дать ссылки иа литературу, в которой изложены теоретические основы и некоторые более подробные данные. В переч не литературы приведен ряд ГОСТов, неко- торые нз них уже пересмотрены или пере- сматриваются и будут введены в действие в ближайшее время. Данный справочник является вторым изда- нием «Справочника по акустике», вышедшего в свет в 1979 г. в издательстве «Связь». За эти годы произошли изменения в технике свя зи и вещания (появились цифровые запись и воспроизведение звука, улучшились характе ристики электроакустической аппаратуры, по- лучили более широкое развитие сети ЭВМ, широкое применение получили программиру- емые микрокалькуляторы для несложных рас- четов. был разработай 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- вочника 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- тельной части, разд. 1 4 подверглись неболь- шим изменениям. При написании 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- го издания выражают им глубокую призна- тельность за согласие на такое заимство- вание. Все пожелания и замечания следует на- правлять в адрес издательства.
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИИ Л — общее звукопоглощение Лпр — общая звукопроводность — форматная разборчивость В — спектральный уровень Ва — спектральный уровень акустических шумов Вп — спектральный уровень помех Врс — спектральный уровень речевого сиг- нала — спектральный уровень шумов с — скорость звука см — гибкость механической системы D — динамический диапазон DM — добротность колебательной системы Ег — чувствительность громкоговорителя £м — чувствительность микрофона F — сила [ — частота колебаний G — громкость / — интенсивность звука /0 — интенсивность иа нулевом уровне (/0 = 1012 Вт/м2) /, — интенсивность иа расстоянии 1 м от центра источника звука k — волновое число <о/с К — коэффициент передачи /<кр — ширина критической полосы частот слуха Ксв — коэффициент электромеханической связи — уровень интенсивности Lt, — уровень звукового давления L — уровень плотности энергии Lg — уровень громкости М — эффект маскировки Л/а — соколеблющаяся масса Ря — акустическая мощность р — звуковое давление р„ — звуковое давление на нулевом уровне (Ро = 2- !0~5 Па) р, — звуковое давление на расстоянии I м от центра источника звука Рл — электрическая мощность Q — индекс тракта (?113 — звукоизоляция помещения (?мс — фактический индекс тракта Qnau — рациональный индекс тракта Чкр — предельный индекс тракта <?пр — звукопроводность перегородки R — акустическое отношение S — слоговая разборчивость Хц — ограничивающие поверхности помете ния Т — время реверберации Гонт — оптимальное время реверберации IV' — словесная разборчивость Y — проводимость Z — модуль сопротивления ,)а — удельное акустическое сопротивление m — масса механической системы qM — индекс направленности микрофона qa — акустическое реактивное сопротивле- ние чм — механическое активное сопротивление гм — расстояние диктора от микрофона sM — упругость механической системы t — время v — скорость колебаний ша — акустическое активное сопротивление а — коэффициент поглощения а,)Гр — коэффициент отражения «пр — коэффициент звукопроводности Д/ — полоса частот Д/1!р — ширина критической полосы частот слуха е — плотность энергии П — КПД л. — длина волны р — плотность среды или материала Q — коэффициент осевой концентрации — акустическое сопротивление плоской волны ь> — круговая частота Обозначения для программируемых мик- рокалькуляторов Ввод Ввод Вывод Деление Умножение Перестановка в СП х — у П№ или хП№ в стек.память В / ИП№ или Пх№ X FxV хУ* F SIN син F COS кос F tg тг F sin-1 асн F cos-1 акс F tg 1 атг F | у- F 1g л г F I/х 1<х FG h в <1 д F х- х2 F л л F 10х 10х F L0 ДО FL1 Л1 FL2 Л 2 FL3 ЛЗ "Во всех операциях F не пишется 4
ВВЕДЕНИЕ В трактах радио- и проводной телефонной связи, вещания, звукового сопровождения те- левидения, звукозаписи и воспроизведения, озвучения, системы перевода речей, массового радиообслуживания, диспетчерской связи и т. п. * начальные и конечные звенья акусти- ческие. Начальная часть тракта: от источника колебаний (голос человека, музыкальные ин- струменты, различного рода источники шу- мов), затем звено в виде воздушной среды помещения или открытого пространства закан- чивается преобразователем акустических коле- баний в электрические (микрофон, ларинго- фон). После него различные электрические си- стемы в виде трактов и каналов передачи сиг- налов (включая аппаратуру записи и воспро- изведения звука: магнитофон, кинотехиические и дискотехиические устройства и т. п.). За ии- 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- зователь (громкоговоритель или телефон), по- мещение или открытое пространство в случае громкоговорящего приема; объем между те- лефоном и слуховым проходом — при при- еме на телефон. В каждом из этих акустиче- ских звеньев тракта происходят те или иные изменения акустических колебаний, каждое из них обладает соответствующими свойствами, которые надо знать, чтобы уметь правильно пользоваться ими. Известно, что акустические звенья тракта зачастую являются определяющими в отно- шении качества звучания и играют значитель- ную роль в обеспечении качества речевой свя- зи. Именно поэтому при проектировании и эксплуатации подобных устройств необходимо хорошее знание характеристик электроакусти- ческой аппаратуры и помещений, а также особенностей распространения звука в откры- тых пространствах. 5
РАЗДЕЛ 1 ЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ 1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ Звук распространен в виде переменного возмущения упругой среды, т. е. в виде звуковых воли. Звуковыми колебаниями назы- вают колебательные движения частиц среды под действием этого возмущения. Простран- ство, в котором происходит распростране- ние этих воли, называют звуковым полем Если источник возмущения известен, то пространство, в котором могут быть обнару- жены звуковые колебания, создаваемые этим источником, называют звуковым полем дан- ного источника звука. Звуковые колебания являются частным случаем механических колебаний. Звуковые колебания в жидкой и газо- образной средах являются продольными колебаниями, т. е. частицы среды колеблются вдоль линии распространения волны. В твердых средах, кроме продольных колеба- ний, имеют место и поперечные колебания и волны, т. е. такие, в которых частицы среды колеблются в направлении, перпендикуляр- ном линии распространения волны. Направление распростраиеиия 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, ио в практических случаях ограничиваются рассмотрением трех видов фронта волны плоской, сферической и цилиндрической Звуковые волны распространяются с опре- деленной 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 ряс: с Уурас/Р. 101 325 Па1. В жидких и твердых материалах скорость звука определяется плотностью материала р и модулем упругости Е для соответствующего вида деформации (про- дольные колебания, крутильные, изгибные и др.): с = Д/Е/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- ных колебаний в стержнях.. На рис. 1.1 дана зависимость скорости звука и плотности воздуха от высоты над уровнем моря, а на рис. 1.2 —зависимость ее от температуры воздуха. На высоте 10 км скорость звука составляет 90 % от скорости на уровне моря (см. рнс. 1 I) При изменении температуры иа 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 11. Скорость звука и удельное акустическое сопротивление* для газов и жидкостей Определение акустического сопротивления см. в § 1.2. где у — коэффициент адиабаты; у = Cp!Cv, Ср и Су — теплоемкость среды при постоян- ном 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- вой волны, т. е. расстояние между соседними фроитамц волны с одинаковой фазой колеба- 1 Что соответствует 760 мм рт ст. 6
Таблица 1 Скорость звука и удельное акустическое сопротивление для твердых тел и материалов Материал X о X о С Скорость звука, м/с Удельное акустическое сопротивление рс, кг/(м« -с)Х Х10° в неогра- ниченной среде, с продоль- ная в стержне СР в неогра- ниченной среде для про- дольных колебаний в стержне Железо 7800 5850 5170 45,6 40,4 Дуб 700 4170* 1520** 2,92* 1,06** Сосна 500 5030* 1450** 2,77* 0,8** Лед 916 — 3200 — 2,93 Пробка Каучук на- 240 — 500 — 0,12 туральный 950 — 30 -— 0,028 Мрамор 2600 — 3810 — 9,9 Гранит 2700 — 3950 — 10,7 Плестиглас 1180 — 2820 — 3,3. Стекло 3250 5660 5300 18,5 17,3 • По волокну. •* Радиальная. Рис. 1.1. Зависимость скорости звука с, плот- ности воздуха р и удельного акустического сопротивления рс от высоты над уровнем моря для температуры 0°С (на земле) иий, например, между максимумами или минимумами колебания, Z = с Т, а частота колебаний f = 1/Т. Частоты акустических колебаний в пределах 20... 20 000 Гц назы- вают звуковыми, ниже 20 Гц — инфра- звуковыми, а выше 20 000 Гц — ультра- звуковыми1. Звуковые частоты делят иа низ- кие, средние и высокие. Примерная граница между низкими и средними частотами состав- ляет 200...500 Гц, между высокими и сред- ними 2000 ... 5000 Гц. Если речь идет только об акустических процессах, то обычно прила- гательное «звуковые» опускают. На рис. 1.3 приведена зависимость длины волны Z = c/f от частоты колебаний f для частот колебаний 30 ... 10 000 Гц для темпе- ратуры 20°С и атмосферного давления 760 мм рт. ст., т. е. для скорости звука, равной 343 м/с. В этом диапазоне длины воли нахо- дятся в пределах 11,4м ... 3,43 см. Для часто- ты 1000 Гц длины звуковой волны в этих условиях равна 34,3 см. Пример. Найти длину волны иа частоте 500 Гц при температуре 0°С и давлении 760 мм рт.ст. На рис. 1.2 находим скорость звука при 0°С, оиа равна 330 м/с, следовательно, на частоте 500 Гц длина волны Z = 330/500 = = 0,66 м = 66 см. Рис. 1.2. Зависимость скорости звука в возду- хе от температуры для нормального атмосфер- ного давления 101 325 Па Рис. 1.3. Зависимость длины волны в воздухе от частоты при 20° С и нормальном атмосфер- ном давлении 101 325 Па 1 Иногда вводят понятие гиперзвуковых колебаний со сверхвысокими частотами, точ- ных границ для них нет. 7
1.2. 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- чением давления рам в точке среды при прохождении через нее звуковой волны и статическим давлением в той же точке, т. е. Р ~ Pa-м Ра .с• Звуковое давление — величина знакопере- менная: в моменты сгущения (уплотнения) частиц среды она положительная, в моменты разрежения (расширения) среды — отрица тельная. Эту величину оценивают по ампли- туде или по эффективному значению Для синусоидальных колебаний эффективное зна- чение составляет 1/V2 = 0,701 амплитуд- ного. Звуковое давление представляет собой силу, действующую иа единицу поверхности: р — F/S. В системе СИ его измеряют в нью- тонах иа квадратный метр (Н/м2). Эта еди- ница называется паскалем и обозначается Па. В абсолютной системе CGS единиц звуко- вое давление измеряют в динах иа квадрат- ный сантиметр 1Па— 1 Н/м2= 10дии/см2 = = 1 кг/(м-с2) Ранее эту единицу называли баром*. Но так как единица атмосферного давления, равная 10е дии/см2, также назы- валась баром, то при стандартизации назва- ние «бар» осталось за единицей атмосферного давления. В системах связи, вещания и в по- добных 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- ном направлении — отрицательный знак. Смещение измеряют в метрах (в системе СИ) или сантиметрах (в абсолютной системе CGS единиц). Скоростью колебаний называют скорость движения частиц среды под действием про- ходящей звуковой волны: v = duldt, где и — смещение частиц среды; t — время. При движении частицы среды в направле- нии распространения волны скорость колеба- ний 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 волн. 1 В ГДР и ФРГ ее называют микробаром, что соответствует и отечественным стандар- там. 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 д = p/v. Это спра ведливо для линейных условий, в частности когда звуковое давление значительно меньше статического. Удельное акустическое сопро- тивление 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 иа рис. 1.1 дана зависимость удельного сопротивления от высоты над уровнем моря. В общем случае удельное акустическое сопротивление — комплексная величина ja = wa Н i qa, где ша и qa — активная и реактивная составляющие удель ного акустического сопротивления. (Прилага- тельное «удельное» часто для краткости опускают.) Размерность удельного акусти- ческого сопротивления в системе СИ — Па-с/м (кг/(м2-с)), а в абсолютной системе CGS—дии-с/см3 (г/(см2-с)). Если известно удельное сопротивление г/(см2-с), то пользуются соотношением 1 г/(см2с) = = 10 кг/(м2-с). Сдвиг фаз ф между звуковым давлением и скоростью колебаний может быть опре- делен из формулы tg ф = qa wa. 1.3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКОВОГО ПОЛЯ К энергетическим характеристикам звуко- вого поля относятся иитеисивиость звука и плотность энергии. Интенсивностью звука или силой звука называют количество энергии, проходящее в секунду через единицу площади, перпенди- кулярной к направлению распространения волны. Обозначают ее 1. Единицей интенсив- ности звука является ватт иа квадратный метр (Вт/м2) 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 Тс = — J р v dt, где р и v — мгновенные Т о значения звукового давления и скорости колебаний; Т — период колебаний. Для не- т периодических процессов /= lim \р v dt- Для синусоидальных колебаний интенсив- ность звука связана со звуковым давлением и скоростью колебаний соотношениями / = 0,5рт vm cos ф = рэ vg cos ф = = (pI cos ф)/| ja I = vf “'а. где рт и vm — амплитуды звукового давления и скорости колебаний; ра и vg— их эффектив- 8
ные значения; 4 — сдвиг фаз между звуко- вым давлением и скоростью колебаний; Ja — удельное акустическое сопротивление; и>а — активная составляющая удельного акустического сопротивления. Плотностью энергии е называют количест- во звуковой энергии, находящейся в единице объема Единицей плотности является джоуль на кубический метр в системе СИ и эрг на кубический сантимер в абсолютной системе CGS единиц' 1 Дж/м3 = 10 эрг/см3. Плотность энергии е связана с интенсивно- стью звука I и звуковым давлением ра соотношением е — lie — рэ/(с2р). 1.4. УРОВНИ Общие сведения. В акустике, радиовеща- нии и электросвязи за уровень параметра принимают величину, пропорциональную логарифму относительного значения этого параметра1. Таким образом, при использо- вании десятичных логарифмов для пара- метра К уровень № = a Lg (К/Ке). где a — коэффициент пропорциональности, определя- емый размером выбранных логарифмичес- ких единиц. Если выбрать а = 1, уровень энергетических параметров будет измеряться в белах (Б): Л'э = 1g {Ка/Кеэ), в этом случае для линейных параметров уровень Мл ~ = 2 1g (Лл/Кол), так как Кэ=Кл. Более удобной единицей оказалась 0,1 бе- ла — децибел (дБ), и поэтому пользуются следующими выражениями для определения уровней: для энергетических параметров Ма ~ 10 1g (Ка/Ква) и для линейных А',, = = 20 1g (Кл/Кв„). Ке — условное значение параметра, которое соответствует нулевому значению уровня, и поэтому его часто назы- вают нулевым значением, или нулевым уров- нем. Если Ке нормировано, то соответст- вующий уровень параметра называют абсо- лютным, во всех других случаях уровень называют относительным. Обычно прилага- тельное «абсолютный» для краткости опуска- ют Относительный уровень связи с абсо- лютным следующим равенством Поти = = Л'абс(Л)-Аабс(/<в). где 2Va6c (Л)-абсо- лютный уровень для заданного значения параметра К; Л'абс (Ло) — абсолютный уро- вень для заданной величины параметра Кв. Оба уровня определяют относительно нор- мированного значения Кв. Ранее широко применялась единица уровня непер 1 Нп = = 8,68 дБ или 1 дБ = 0,1151 Нп. Для пере- вода из децибел в неперы можно пользовать- ся рис.1.4. Изменение энергетического параметра в 2 раза соответствует изменению уровня иа 3 дБ, в 4 раза — иа 6 дБ, в 10 раз — иа * Термин «уровень» применяют и в других смыслах, например, для ряда значений сиг- нала при его квантовании Рис. 1.4. Зависимость между величинами уров- ня в децибелах и неперах для значений уров- ня 0 . 10 дБ 10 дБ, в 100 раз — на 20 дБ, в Юл раз — иа Юл дБ. Изменение линейного параметра в 2 раза соответствует изменению уровня на 6 дБ, изменение его в 4 раза — иа 12 дБ, изменение в 10 раз — иа 20 дБ, изменение в 100 раз — на 40 дБ, в Юл раз — иа 2л-10 дБ и т. д. Если даны два уровня и надо найти «суммарный уровень», например уровень суммарной мощности, то поступают следую- щим образом: находят разность между уров- нями и к большому уровню добавляют поправ- ку, приведенную иа рис. 1.5 для различных значении разности уровней. Такое суммиро- вание пригодно только в случаях независи- мости процессов друг от друга. Пример. Заданы уровни 63, 60, 65 и 62 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 ЛВ,дб Рис. 1.5. Зависимость добавки к большему уровню от разности уровней при сложении двух уровней по интенсивности 9
его с уровнем 60 дБ. Разность равна 8,3 дБ. Поправка 0,6 дБ. Окончательно значение суммарного уровня N^. = 68,3+0,6 = 68,9 дБ. Метод удобен при небольшом числе сла- гаемых уровней. Второй метод. Переводят уровни в отно- сительные значения для энергетических пара- метров. По формуле К = 10°’1ЛГ находят Кт = 3,16-10“, Л33 = 2-10“, Л32 = 1,58-10“ и К to = 10“. Затем суммируют полученные величины параметров: л2 = (3,16 + 2 + + 1,58+ 1) • 10“= 7,74-10“. По той же фор- муле находят, что для значения параметра К — 7,74 ближайшее значение уровня 8,9 дБ. Следовательно, суммарный уровень = 60 + 8,9 = 68,9 дБ. Этот метод удо- бен 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- тем проделать следующие операции: 6,3; 10х; 6; 10х; +; 6,5; 10х; +; 6,2; 10х; +; лг; 10; х. Результат в х получится в децибелах (68,9). 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; 18с/п. Ввести в память хП1 Nt; хП2 N2; хПЗ N3; хП4 N4; хП5 N3 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 1g (Р/Ро) = 10 1g (РВт/10-3) = 10 где РмВт — мощность в милливаттах; РВт — мощность в ваттах. Этот уровень мощности измеряют в децибелах мощности (дБм). Соответственно абсолютный уровень по напряжению Л+ = 20 1g (U/Ue) =20 1g ((7B/0,775) = = 20 lg (^mb/775), где UQ = 775 мВ — условное (нормирован- ное) значение нулевого уровня напряжения; UB — действующее значение напряжения, В; 1/мВ — действующее значение напряже- ния, мВ. Уровни по мощности совпадают с уровня- ми по напряжению при условии измерения их на сопротивлении, равном 600 Ом. Если сопротивление нагрузки Л?н отличается от 600 Ом, то уровень по мощности отличается от уровня по напряжению (току) на вели- чину Np-Nu= Ю 1g (600/7?н) = 27,8—10 lg 7?н, где Л?н — сопротивление нагрузки, Ом. Пример. Найтн уровень мощности и уровень по напряжению, если сопротивле- ние нагрузки 250 Ом, а напряжение на на- грузке 5 мВ. Уровень по напряжению Nv = 20Х Xlg(5/775) =—43,8 дБ. Уровень по мощности Np = 10 1g(l/2/(7?H/>0)) = 10 1g [(5-10-3)2/ (250- IO-3)] = — 40 дБм. Эту разность между уровнями по мощности и по на- пряжению можно найтн нз выражения Np _ Nv = 10 lg (600/250) = 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 * *000 X лг 10 X х=дБм; определение уровня по напряжению U (В) В 0,775: лг 20 X х = Nv, 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- мированное) значение нулевого уровня интен- сивности звука принята интенсивность, рав- ная 10~12 Вт/м2 или 10-в эрг/(см2-с). Абсо- лютный уровень ннтенснвностн в децибелах L, = 10 1g (Z//o) = 10 1g (7Вт/10-12) = = 10 1g /Вт+ 120= 10 1g (/эРг/Ю-»), где /Вт — уровень ннтенснвностн, Вт/м2; /ЭрГ — уровень ннтенснвностн, эрг/(см2-с). Уровень по звуковому давлению в деци- белах для воздуха определяют относительно звукового давления по величине, соответ- ствующей нулевому значению уровня ннтен- снвностн для удельного акустического сопро- тивления, равного 400 кг/(м2-с)=40 г/(см-с)*, т. е. уровень определяется выражением LP = 20 lg (р/р0) = 20 1g (рПа/(2-10~“)) = = 20 1g рПа + 94 = 20 1g [рд/(2-10-*)]. где р0 — условное действующее значение для нулевого уровня по звуковому давлению (ро=2-1О~“ Па =2-10-“ днн/см2); рПа — действующее значение звукового давления, Па; рд — то же самое, днн/см2. Уровень по плотности энергии в деци- белах для воздуха принято определять относи- тельно плотности, соответствующей нулево- му значению ннтенснвностн для скорости звука, равной 333 м/с, т. е. уровень опре- 1 Знаки «точка с запятойж — опущены. *Так как расчеты обычно ведут для сопро- тивления 413 кг/(м2-с), то получается рас- хождение между L/ н Lp, равное 0,14 дБ. 10
деляется из выражения Le — 10 1g (е/во) = = Ю 1g(еДж/(3-10-15))= 101g (е»рг/(3-10-“)), где е0 = 3-10~15 Дж/м3 = 3-10~14 эрг/см3 — условное значение нулевого уровня по плотности энергии; еДж — плотность энергии Дж/м3; еэрг — плотность энергии, эрг/см3. Пример. Интенснвиость звука равна 2х Х10-‘Вт/м2. Найтн уровень интенсивности: /., = 10 1g (2.|0-*/10 -12) = = 10 Ig (2-10я) =85 дБ. Пример. Звуковое давление составляет 0,1 Па Найтн уровень звукового давления: Lp =20 1g (0,1/(2-10 3)) = = 20 1g (5-10s) =74 дБ. Пример. Уровень ннтенснвностн равен 120 дБ. Найтн интенсивность н звуковое давление: / = /0 10°',L/=10-12.100-II20= 1 Вт/м2; р = р0 10°'05Lp= 2-10-ь.Ю0’05’ |20 = 20Па. Приводим те же расчеты на микрокалькуля- торе. Определение уровней интенсивности и звукового давления 2 ВП 4/—/ В I ВП 12/—/: лг!0Хх = 83 (Б/, дБ) 0,1 В 2 ВП 5/—/: лг 20 X х=74 (Lp, дБ). Для уровня ннтенснвностн 120 дБ: интенсивность 120 В 120 — 10: 10х х = I (/, Вт/м2) звуковое давление 120 В 94 — 20. 10х х = = 20 (р, Па). 1.5. ПЛОСКАЯ ВОЛНА Фронт плоской волны — плоскость, зву- ковые лучи идут параллельно друг другу. Энергия в плоской волне не расходится в стороны, интенсивность звука практически не зависит от расстояния, прошедшего вол- ной, если пренебречь потерями на вязкость среды, молекулярное рассеяние, турбулент- ное затухание и дифракцию волн Амплитуды звукового давления н скорости колебаний в этом случае также не зависят от расстояния, прошедшего волной. Волновое уравнение для плоской волны д2 p/dt2 — c2 д2 р/дх2, с2 = ура .с/р- где t — время, х — координата, р — плот- ность среды; ра.с — атмосферное давление; у — коэффициент адиабаты Общее решение волнового уравнения для плоской волны р = Ф1 (/—х/с)+ф2 (t + x/c), где с — скорость звука (скорость движения волны); первый член — волна, движущаяся (бегущая) в положительном направленнн; второй член — волна, движущаяся (бегущая) в отрицательном направлении. Типовое частное решение волнового урав- нения для волны, распространяющейся в положительном направлении: р=рт ехр[1ы (/—х/с)] = — Pm exp [i (ю/—£х)], где рт — амплитуда звукового давления; (о — угловая частота колебаний; ш=2п(; f — частота колебаний; k — ы/с — волновое число. Скорость колебаний v=fmexp[i (at—kx)] — = итехр [i<o (/ — x/c)J, где vm = O)um — амплитуда скорости ко- лебаний; ит — амплитуда смещения. Удельное акустическое сопротивление для плоской волны чисто активное и составляет Ja = P/v = Pmlvm = Рэ/пэ = р с. В табл. 1.1, 1.2 были приведены акустические сопротив- ления для плоской волны, распространяю- щейся в различных средах и телах, а на рнс. 1.1 —зависимость его в воздухе от вы- соты над уровнем моря. Для воздуха при температуре 20 °C й нормальном атмосферном давлении акусти- ческое сопротивление ре = 413 кГ/(м2-с) — = 41,3 г/(см2-с). Интенсивность звука в плоской волне / = pmvm/2 ~ p3va = p2J(pc), где рэ и vg — эффективные значения зву- кового давления н скорости колебаний. 1.6. СФЕРИЧЕСКАЯ ВОЛНА Фронт сферической волны представляет собой сферу, в центре которой находится источник колебаний, а звуковые лучн совпа- дают с радиусами сферы. Полная мощность звука, исходящая нз источника звука н расходящаяся по всем направлениям, не изменяется по величине с удалением от источника звука, если пренеб- речь потерями на вязкость среды и молеку- лярное рассеяние, т. е. Pa=const. Интенсив- ность звука с удалением от источника звука уменьшается по квадратичному закону /г = = /j/г2, где /, — интенсивность звука на расстоянии единицы длины от центра источ- ника звука; г — расстояние фронта волны от этого центра. Звуковое давление для сфери- ческой волны с расстоянием уменьшается по гиперболическому закону pr = p-Jr, где Pi — звуковое давление на расстоянии еди- ницы длины от центра источника звука. Волновое уравнение для трехмерного пространства д2 р / д2 р д2 р д2 р \ ---- =С2|----—-------—-1- ---£- dt2 дх2 ду2 дг2 ) . VPa.c с2 —-------- Р 11
<р,врад Рис. 1.6. Зависимость фазового угла между звуковым давлением и скоростью колебания в сферической волне от отношения радиуса вол- ны к длине волны При преобразовании координат из прямо- угольных в сферические волновое уравнение имеет вид Э2 (рг) , О2 (рг) --------= с2---------. dt2 дг2 Общий вид решения волнового уравнения для сферической волны Р=(Р1/'-) [<Pi (< —г/с)+ф2 (^ + </с)|. где первый член соответствует волне, распро- страняющейся в положительном направле- нии от источника звука, а второй — в отри- цательном (к источнику звука). Рис. 1 7 Зависимость удельного акустическо- го сопротивления для сферической волны от отношения удвоенного расстояния до центра источника звука к длине волны — актив- ная составляющая; <?а— реактивная составля- ющая) Типовое частное решение для волны, распространяющейся в положительном нап- равлении: Р= (Pi/'') exp [io> (t- r/c)] = s- (Pi/^) exp [i (btt — kr)] — -pm expfi (ы/ —£r)|, pm = PiJr, где r — расстояние от центра источника звука (радиус волны); <о — угловая частота колебаний; р, — амплитуда звукового давле- ния на расстоянии единицы длины от центра источника звука; k = ы/с — волновое число. Скорость колебаний в сферической волне v=(v1/r) exp (i [со (/ —r/С)—Ф)}, V1/r = vm, где Vj — амплитуда скорости колебаний на расстоянии единицы длины от центра источ- ника звука: "1=(Р1/Р0 У1 + с2/(со2 г2) = = (Р1/рс) V'l + l/(*2'-2) =Pi/(pccosф); ф — сдвиг фаз между эруковым давле- нием и скоростью колебаний; tgф = с/(сог) = = 1/(М = Х/(2лг). На рис. 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- нием и скоростью колебаний. Определим угол сдвига фаз на расстоянии 0,1 м от центра источника звука для частоты 100 Гц (X = = 3,43 м): tg ф = с/(2л/г) = 343/(2л • 100-0,1 ) = 5,48, что соответствует углу ф — 80°. Для рас- стояния 1 м на частоте 1000 Гц (X — 0,343 м) этот сдвиг фаз составляет 1йф = с/(2л/г) =343/(2л-1000-1) =5,48-10 2, что соответствует углу 3° На средних частотах для расстоянии боль- ше 1 м можно не считаться со сдвигом фаз. Удельное акустическое сопротивление в сферической волне р iwr | о)2 г2 6а =--=рс---—--- Рс ———ГТ + V С + ЛОГ [ С2 + 0J2 г2 ыгс 1 Г k2 г2 kr 1 1 с2 н-ы2 г2 [ 1 + й2 г2 + 1 l+k2r2] Активная составляющая акустического сопротивления = рею2 г2/ (с2+ ы2 г2) — pek2 г2/ (1 + k2 г2). Реактивная составляющая ?а =pcwc/(c2+ ы2г2) = pckr/ ( \ k2 г2). 12
Модуль сопротивления 1.7. ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ ВОЛНА рт W I Ла I — Рс /75----5—5- Vm V 4 ь>2 б2 kr ' Vl+^r2 ' 4 т. е. акустическое сопротивление в сферичес- кой волне по величине не превышает акусти- ческого сопротивления в плоской волне. На рис. 1 7 приведены активная и реактив- ная составляющие удельного акустического сопротивления для сферической волны. Реактивное сопротивление имеет характер инерционного сопротивления (см разд 4). т. е сопротивления массы, называемой «соко- леблющенся». Соколеблющаяся масса для всей сферы Л1а 4лг2<7а/<о 4лг:*р/( 1 + А-2 г2), где р — плотность среды; г — расстояние от центра сферы. При kr = 2лг/Х <с 1 соколеблющаяся масса Л1а = pVa, Va = 3 Vr, где Vr — объем сферы с радиусом г. Пример. Найти активную составляющую акустического сопротивления сферической волны и соколеблющуюся массу для следую- щих условий: /у = 0,25 м и — 100 Гц; г2 = 1 м и f2 — 1000 Гц, р = 1,2 кг м3 Активная составляющая 4л2 1002-0,252 tfai =413---------------------- 1 3402 4-4л2-1002-0,252 = 80,94 кг/(м2-с) и „ 4л2-10002-12 413 —— 34024- 4п2-10002-12 = 410,8 кг/(м2-с). Соколеблющаяся масса 4л-0,253-3402 1 3402 4л2-1002-0,252 0,194 кг = 194 г и .. , о 4л-13-3403 Л4 я о — 1 2 * ’ 3402 + 4л2-10002-12 = 4,4-10 2 кг- 44 г при 6г=2л/7Х>1; Л4а = 4 лгр/йг=грХ2/л. Интенсивность звука в сферической волне связана со звуковым давлением следующим соотношением: / = рт/(2рс) = р^Црс), где рэ — эффективное значение звукового давле- ния; 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 вает по гиперболическому закону IТ = Ц/г, а звуковое давление — по закону рг = р/^/г. Цилиндрическая волна имеет место при озву- чении 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- ных направлениях. Наибольший интерес имеет случай, когда две звуковые волны с одинаковыми амплитудами распространяются в противоположных направлениях, т. е обра- зуется стоячая волна с пучностями и узлами. Расстояния между соседними узлами, как н расстояния между соседними пучностями, равны половине длины волны (рис. 1 8), а между пучностью и соседним узлом — четвер- ти волны. В пучности давления амплитуда звукового давления равна удвоенной амплиту- де бегущей волны, в узле амплитуда равна Рис 1.8. Распределение амплитуд звукового давления и скорости колебаний прн интерфе- ренции: « — для одинаковых амплитуд звукового давления: б — для скорости колебаний; в — для неодинаковых амплитуд звукового давления 13
Рис. 1.9. Иллюстрация отражения волн Робр / РЧР/Т! (Ршах Pm 1п^ (Ртах “Г* Pm in) — (1 — о)/(1 Ь б), а Pmin'Pmax = в. гДе 6 — коэффициент бегу- щей волны. В этом случае поток энергии создается только бегущей волной. Плотность энергии состоит нз двух составляющих — плотности бегущей волны и плотности стоячей волны: в = «бег + ест 1.9. ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКА нулю. Пучности давления и пучности скорости колебаний не совпадают друг с другом, а находятся на расстояннн четверти длины волны (рнс. 1.8, а н б). Точно так же в пучно- сти скорости колебаний амплитуда ее полу- чается удвоенной. В стоячих волнах поток энергии равен нулю, поэтому их характеризуют или плот- ностью энергии, илн квадратом звукового давления. При неодинаковых амплитудах прямой и обратной волн стоячая волна образу- ется нз обратной волны н части прямой, по амплитуде равной амплитуде обратной волны Остальная часть прямой волны образует бегу- щую волну (рнс. 1.8, в). Амплитуда ее по звуковому давлению Рбег— Pup - Робр- В пучности такой комбинации волны амплитуды обеих волн складываются ртах = = Рпр + Робр. в узле — вычитаются; pmln = = Рпр — Робр- Если известны значения амплитуд давлений в пучности и узле, то Если звуковая волна встречает на своем пути какое-либо препятствие нлн другую среду с иными параметрами, то происходит отражение звуковой волны. Законы отраже- ния звуковых волн аналогичны законам отражения световых волн, угол падения Ч?! равен углу отражения <р2 (рнс. 1.9). Эффективность отражения характеризуют коэффициентом отражения В акустике коэф- фициентом отражения называют отношение ннтенснвностн отраженной звуковой волны /отр к ннтенснвностн падающей волны /Пад. т. е. коэффициент отражения <Хотр — / отр//над- Эффективность отражения зависит от степени различия акустических сопротивле- ний обеих сред: если падающая волна имеет звуковое давление Рпад. то звуковое давление в отраженной волне Ротр= Рпад (Лпад — Лотр)/(4пад + Лотр) = = -Рпад0ехР (1ф), Рис. 1.10. Распределение амплитуд звукового давления при отражении с различным сдви гом фаз: а — без сдвига фаз: б — со сдвигом фаз на 90; в — со сдвигом фаз на 180" где Аотр н Лпад — удельные акустические сопротивления среды отражающей н среды, в которой рассматриваются явления отраже- ния; 0 — модуль коэффициента отражения по давлению; ф — сдвиг фаз в волнах давления при отражении. При отражении получается сдвиг фаз между звуковыми давлениями падающей н отраженной волн. Если сопротивления обеих сред активны, то сдвиг фаз равен нлн нулю (когда сопротивление отражающей среды больше сопротивления первичной среды), нли 180е (когда сопротивление отражающей среды меньше сопротивления первичной среды). Если одно нлн оба акустических сопротивле- ния имеют реактивные составляющие, то сдвиг фаз получается между 0 и 180е. Коэффициент отражения по интенсивности определяется по формуле 1Л11НД — 4отр |2 | /’отр |2 „„ -----------= ~р— =" • Лпад-^Лотр I I 'пад I Определим коэффициент отражения (по интен- сивности звука) от границы раздела воздуш- ных масс с температурами 20 и 0°С. Берем данные нз табл. 1.1 и подставляем нх в форму- лу. Имеем | 428--413 «°тр-| 428д_4|з 2 = 3-10“\ 14
т. е. ничтожно малый коэффициент отражения В случае, когда отражение происходит от границы воздуха н водяного пара, коэф- фициент отражения составляет «отр — 413 — 230 413 + 230 = 0,08, т. е. отражается 8 % всей энергии. Если отражение происходит от воды (прес- ной), то коэффициент отражения «отр — 413—1,43-106 413+ 1,43-10« Г = 0,9994, т. е. отражается 99,94 % всей энергии. Коэффициенты отражения зависят от угла падения звуковых волн, поэтому в таблицах обычно приводят величины диффузных коэф- фициентов отражения, измеренных для все- возможных углов падения волн и нормальных (для угла падения 90°). Если сдвиг фаз по давлению прн отраже- нии равен нулю (акустическое сопротивле- ние отражающей среды много больше акусти- ческого сопротивления первичной среды), то у границы раздела сред получается пучность звукового давления (рис. 1.10, а), а скорость колебаний будет иметь узел колеба- ний. Прн обратном соотношении акустичес- ких сопротивлений обеих сред сдвиг фаз для звукового давления получается равным 180е: у границы раздела будут узел звукового давления (рис. 1.10, в) и пучность скорости колебаний Если сдвиг фаз прн отражении по звуково- му давлению отличается от 0 и 180е, то узлы и пучности соответственно сдвигаются от поверх- ности 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 н световая волна, частично проходит в другую среду Прн этом происходит преломление волны, т. е. если волна падает на поверхность раздела под углом <pj, то в следующей среде направление движения волны (звукового луча) будет под углом <р2 Отношение угла падения к углу преломления (рис. 1.11) определяется отноше- Рнс. 1.11. Иллюстрация преломления волн ннем скоростей распространения звуковых колебаний в этих средах: sin «pj/sin <p2 = — сх1с2, где Cj и с2 — скорости звука в обеих средах. Если удельные акустические сопротив- ления обеих сред близки друг к другу, то почти вся энергия перейдет из одной среды в другую, а если прн этом среды (нлн 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 н плот- ность), то происходит нзгнб звуковых волн (рнс. 1.12). Например, для горизонтального распространения волны при постепенном увеличении скорости звука с высотой звуко- вой луч будет изгибаться вниз (рис. 1.12, а), а при уменьшении — вверх (рнс. 1 12, б). На нзгнб звуковых волн сильно влияют ветер и потоки воздуха в различных направ- лениях. Пример. Вследствие воздушных течений и ветра скорость распространения звуковых волн изменяется на 1 м/с прн нзмененни высоты на 2 м. Определить траекторию распро- странения волны, если начальный угол звуко- вого луча к вертикали 89°, а скорость распро- странения 340 м/с. Будем считать, что скорость звука меняет- ся скачками по 1 м/с. Прн падении на сосед- ний слой под углом 89° произойдет преломле- ние звукового луча Угол с вертикалью будет составлять <pi = arcsin I(cj/c0) sin <p0J. Под- ставляя в эту формулу 89°, получаем угол <Pj — arcsin [(339/340) sin 89°] = 85,5°. В этом Рнс. 1.12. Иллюстрация изгиба звуковых волн прн изменении скорости звука: а — при уменьшении ее; 6 — при уве- личении 15
Рнс. 1.13. Траектория звукового луча при рас- пространении 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 83,7°. Для следующего слоя получим $2,3° 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 находиться от первой точки преломления на 240 м. На рнс 1.13 нанесена расчетная траек- тория этого луча. 1.11. ДИФРАКЦИЯ ВОЛН Если размеры препятствия имеют величи- ну меньше длины звуковой волны нли волна падает близко к краю препятствия (по сравне- нию с длиной волны), то волна дифрагирует вокруг препятствия (рнс. I-.14). Конкретные случаи рассматриваются в § 2.3 (дифракция волн вокруг головы человека), в разд. 5 (дифракция волн около микрофона различной формы: шар, цилиндр, куб) н в § 6.5 (дифрак- ция около акустического экрана). 1.12. ЗАТУХАНИЕ ВОЛН В реальных средах звуковые волны затухают вследствие вязкости среды и молеку- лярного 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 н температуры), а на рнс. 1.16 — зависимости для молекулярного затухания от частоты, влажности н температуры. Обе зависимости дают затухание в децибелах на километр. Полное затухание /V определяется суммой затухания нз-за вязкости н молекулярного NM. Для определения молекулярного затуха- ния по рнс. 1.16, проводим прямые: а) от заданной точки на осн 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 осн 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 F и А1 соединением прямой, в точке пересечения которой со шкалой декрементов отсчитываем искомую величину NM по мас- штабу километрического затухания. Пример. Найтн молекулярное затухание для температуры 15°C, влажности 50 %, частоты 3 кГц. Из номограммы рнс. 1.16 для этих данных находим молекулярное затуха- ние, равное 4,3 дБ/км, и коэффициент затуха- ния р = 250 см-1, а из рнс. 1.15 — значение вязкого затухания, равное 0,9 дБ/км. Общее затухание составит 5,2 дБ/км Звуковые волны затухают прн распростра- нении вдоль поглощающей поверхности. Прн этом чем больше коэффициент поглощения этой поверхности, тем большее затухание она вносит в распространяющуюся волну. В за- висимости от частоты затухание растет с уве- личением длины волны (уменьшением частоты). Например, при распространении звуковой вол- ны касательно к поглощающей поверхности (например, публики) происходит значительное затухание звука. Так, на частоте 800 Гц зву- ковое давление уменьшается по квадратичному закону вместо гиперболического. Точнее, на этой частоте звуковая волна испытывает до- полнительное затухание на 21 дБ прн десяти- кратном изменении расстояния (общее затуха- ние получается равным 41 дБ). На частоте 250 Гц дополнительное затухание составляет 3 дБ, а на частоте 6400 Гц — 8 дБ. На рнс. 1.17 приведена эта зависимость. Особо следует сказать о законах распро- странения звука на большие расстояния (свыше 1 км). Оказалось, что кроме «классиче- ского» затухания, определяемого по рнс. 1.15 и 1.16, учитывающего влияние вязкости среды н молекулярного затухания, более существенную роль играет затухание нз-за турбулентности воздуха. Это затухание определяется ветром н в немалой степени потоками воздуха в вертикальном направле- нии (нз-за разности температур земли и воз- духа, а также разности давлений по высоте). 16
По одним данным это затухание определяется экспоненциальной функцией [ехр (—2 г/3)], а по другим — специальными эксперимен- тальными кривыми. Сравнение их показало, что экспериментальное затухание почти всегда дает завышенные данные по сравнению с экс- поненциальной. На рнс 1.18 приведены сред- ние значения дополнительного (кроме влияния вязкости н молекулярного затухания) зату- хания, измеренного на расстояниях 1; 2 и 4 км, н усредненное а также дано затухание звука в акустической тенн — кривая Т Дополнительное затухание имеет большой разброс в зависимости от разных неучтенных факторов. На низких частотах дополнитель- ное 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- них 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- ми объемного смещения н объемной скорости. Этими понятиями пользуются и в случае рас- пространения в открытом пространстве. Объемным смещением называют произве- дение смещения частиц н среды на поперечное сечен не трубы U = uS. Нд,д6/кн Рнс. 1.15. Зависимость вязкого затухания плоской звуковой волны в сухом воздухе от частоты н температуры (указана на прямых) Объемной скоростью называют произведе- ние скорости колебаний частиц среды на попе- речное сеченне трубы Q = vS. Волновым сопротивлением называют от- ношение звукового давления р к объемной скороетн Q в данном сеченни трубы: ZB = = p/Q. Оно связано с удельным акустичес- ким сопротивлением ja соотношением ZB — = fe/S. Полное сопротивление ZM - = Flv — = ja S = ZB S2, где v— скорость колебаний Если источник звука находится в одном конце трубы с постоянным поперечным сече- Рнс. К.16. Зависимость молекулярного затухания плоской звуковой волны от темпе- ратуры, относительной влажности и частоты 17
Рис. 1 17. Зависимость затухания звука от частоты при распространении его вдоль пуб- лики для десятикратного изменения рассто- яния нием, а другой конец трубы удален в бесконеч- ность, 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- ным направлением. Их сумма р = р+ exp [io> (/ — х/с)] -f-p- exp [iw(/ + x/c)J= = (Р+—Р-) exp [iw (< —х/с)] + |2р„ cos (<ох/с) exp (1ы/), где р+ и р- — амплитуды звукового давле- ния в волнах, идущих от источника звука («прямая» волна) н к источнику (отраженная волна); (р+ — р -) — амплитуда давления в бегущей волне в том же положитель- ном направлении, что и «прямая» волна; 2 р_ cos (ых/с)— амплитуда давления стоячей волны 1.1 1.__।___1___।---1---1---1--L О 200 400 800 12001БОО 2000 2400 2800 3200 Б,Гц Рнс. 1.18. Зависимость дополнительного зату- хания измеренного на различных расстояниях от источника звука, и затухания, усредненно- го в акустической тенн (кривая Т) в зависи- мости от частоты Я г**» 18 Входная удельная акустическая прово- димость конечной трубы, закрытой с обоих концов где j, н j2 — удельные акустические сопро- тивления отражающих материалов, находя- щихся на концах трубы, рс — удельное аку- стическое сопротивление среды, заключенной в трубе; I—длина трубы. Для частот ы = ппсН нли f = nd2l, для которых длина волны связана с длиной трубы соотношением I = n/j2 (где п — любое целое число), входное удельное акустическое сопротивление чисто активно н минимально: 6вхщ1п=( — О" . . Т. е. Увхтах = + fe Этн частоты называют резонансными частота- ми трубы. Для трубы длиной 1 м резонансные часто- ты будут следующими: я=1 /1Р = с/2/=343/2-1 = 172 Гц; л = 2 /2р = с// = 343/1 =343 Гц; л = 3 /Зр 515 Гц н т д. Для 2п — 1 пс . 2п — 1 частот ы = ------- — нлн /=----------- X 2 I 4 с Ху , для которых длина волны связана с дли- ной трубы соотношением I = (2 п — 1) X/4, где входное удельное акустическое сопротивление имеет чисто реактивный характер н по вели- чине достигает максимума: ______. Рс Йвх max 1 । । z *2, _ • + (pc)2/Si fe t. e. ^bx mlo= i 11 !PC + (pc) / (Si J2)J- Соответствующие частоты называют анти- резонанснымн. Для той же трубы антнрезонан- сные частоты следующие: 1 с 1-343 „„ „„ Я = 1 flap— 4 z — 4 J —85,7 Гц; 1 3-с 3-343 „„„ л =2 /2ар — 4 z 4 u —257 Гц; л=3 /зар = 429Гц н т. д. 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).
Раздел 2 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СЛУХА 2.1. ВВЕДЕНИЕ Все передачи по системам вещания, телефонной связи, звукоусиления, записи н воспроизведения звука н 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- чающимся от приемников звука, создаваемых человеком. Ухо человека обладает свойствами частотного анализатора, дискретным восприя- тием по частотному и динамическому диапа- зонам (аналоговый звуковой сигнал превыша- ется в последовательность электрических импульсов двоичного типа). Все эти операции осуществляются во внутреннем ухе, в так называемой улитке. В улитке находится основная (базилярная) мембрана, состоящая нз большого числа волокон, слабо связанных между собой. Вдоль основной мембраны рас- положены 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- те которого человек определяет передаваемое сообщение. 2.2. ВОСПРИЯТИЕ ПО ЧАСТОТЕ Каждое нз волокон основной мембраны резонирует на вполне определенной для него частоте. Сложный звук, состоящий из ряда частотных составляющих, вызывает коле- бания ряда волокон соответственно часто- там составляющих. На рис. 2.1 приведен схематический разрез улитки основной мем- браны. По осн абсцисс дано расстояние (в миллиметрах) от начала улитки до со- ответствующего волокна основной мембра- ны, там же указаны частоты, на которые отзываются этн волокна. Частоты ниже 60 Гц воспринимаются по субъективным гармони- кам. На рнс. 2.2 приведена эквивалентная электрическая модель слухового анализатора. В ней 140 параллельных звеньев — резона- торов, соответствующих волокнам мембраны; последовательные индуктивности Lk соответ- ствуют соколеблющейся массе лимфы. Ток в параллельных звеньях соответствует скоро- сти колебаний волокон. На рисунке приведе- ны числовые значения элементов модели. Модель показала хорошее соответствие реаль- ной слуховой улитке. Разрешающая способность слухового анализатора невелика, полоса пропускания резонатора слухового анализатора, определен- Рнс. 2.1. Продольный разрез улитки вдоль ос- новной 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- ния носят название критических полосок слуха. Величины этих критических полосок слуха для моноурального и бинаурального (двуухого) слушания (по Флеттчеру) приве- дены на рис. 2.3. По данным Цвикера крити- ческие 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- кости 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- пазон ограничен снизу частотой 16...20 Гц, а сверху — частотой 20 000 ГnJ В этом диапа- зоне человек запоминает Голько несколько сотен градаций частоты, причем число этих градаций резко уменьшается с уменьшением интенсивности звука н 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- ты не могут заметить разницы в звучании фильмов, снятых для кино, со скоростью 24 кадра/с при демонстрации их по телевиде- нию со скоростью 25 кадра/с, и наоборот). Человек косвенным образом может различить Рнс. 2.2. Эквивалентная электрическая схема улитки: /.*—21,02 • 10—3 ЕХР (0,029 fe) Ги; /.* = =75.12 10’ ЕХР (0,029 k} Гн; С*=553 |0|! ЕХР (0,054 k} Ф; R*=5,825 - 10’ ЕХР (-0,013 fe) Ом; -0,067 Гн; Ro-70.957 Ом 19
Рис. 2.3. Кривые частотной зависимости ши рнны критических полос и частотных групп слуха в герцах (правые ординаты) и в деци- белах 10 IgA/ (левые ординаты) для моно- урального (7) и бинаурального (2) слушания по Ф Тетчеру, бинаурального слушания по Цвикеру (3), ширина третьоктавных полос (4) Рис. 2.4. Кривые минимально ощущаемой де- виации тонов различной частоты ft в функ- ции частоты модуляции /мод Рис. 2.5. Кривые минимально ощущаемой де- виации тона частоты 1 кГц в функции уров- ня звукового давления при частоте модуля- ции 4 Гц Рис 2 6 Зависимость между высотой звука в мелах и частотой в герцах изменение частоты до 0,3 % иа 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- живает эти изменения, когда девиация часто- ты составляет около 2 % от ширины частотной группы Например, на низких частотах шири- на частотной группы равна 100 Гц, а мини- мально 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- мерно 2 °о от ширины группы На рис. 2.4 приведена зависимость минимально ощущае- мой 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 (прн 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- мость близка к логарифмической. Условились высоту тона с частотой 1000 Гц и с уровнем ощущения 40 дБ считать равной 1000 мел или 10 барк (1 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- щих, его высота связана с частотами и интен- сивностями составляющих сложным образом. В тех случаях, когда надо выдержать субъек- тивный масштаб по частоте, пользуются зависимостью рис. 2.6. Приближенно этот масштаб считают линейным до частоты 800...1000 Гц и логарифмическим выше часто- ты 1000 Гц. Такой комбинированный масштаб для практики неудобен, поэтому применяют логарифмический масштаб. За единицу высо- ты в этом случае принимают октаву и ее доли. Октава представляет частотный интер- вал, для которрго отношение крайних частот равно 2. В табл. 2.1 приведены частотные границы и средние значения частот для ок- тавных диапазонов Средние значения округ- лены. Измерительные октавные диапазоны иногда делят на полуоктавные и третьоктав- ные. Их границы определяют из той же таб- лицы и табл. 2.2, в которой даны средние частоты третьоктавных полос (А/( j3 окт) фильтров, широко применяемых в измеритель- ной электроакустической аппаратуре. 20
Таблица 2.1. Октавные диапазоны и их средние частоты1 Границы октавы, Гц Средняя частота, Гц Ширина полосы, дБ Границы октавы, Гц Средняя частота, Гц Ширина полосы, дБ Гостированные измерительные октавы 22,4-45 31,5 13,5 16-31,5 22,5 12 45...90 63 16,5 31,5—63 45 15 90-180 125 19,5 . 63-125 90 18 180...355 250 22,5 •125...250 180 21 355-710 500 25,5 250... 500 360 24 710...1400 1000 28,5 500... 1000 710 27 1400-2800 2009 31,5 1000...2000 1400 30 2800-5600 4000 34,5 2000...4000 2800 33 5600...11 200 8000 37,5 4000.. 8000 5650 36 11 200...22 400 16 000 40,5 8000... 16 000 11 300 39 Измерительные октавы для фильтров старого выпуска 12,5-25 17,5 И 18,8-37,5 26,5 12,8 25...50 35 14 37,5.. 75 53 15,8 50...100 70 17 75... 150 105 18,8 100-200 140 20 150 300 210 21,8 200..400 280 23 300...600 425 24,8 400..800 560 26 600... 1200 850 27,8 800-1600 1120 29 1200-2400 1700 30,8 1600-3200 2240 32 2400...4800 3400 33,8 3200...6400 4500 35 4800-9600 6800 36,8 6400... 12 800 9000 38 9600.19 200 13 600 39,8 12 800...25 600 18 000 41 1 Средние частоты определены как среднегеометрические. Границы третьоктавных полос по отноше- нию к средней частоте полосы определяются отношениями 2~1/6: I = 0,891 и 1 : 21/6 = — 1,122, а ширина полосы А/1/зОкт = = 0,231 /ср. В табл. 2.2 приведены величины шири- ны третьоктавных полос в герцах и в лога- рифмических единицах — в децибелах, т. е. 10 1g Д /3 окт. Последними часто пользуются при расчетах. В логарифмическом масштабе пользуются следующими соотношениями между частота- ми в герцах н единицах длины 1) для равномерного построения частот- ных зависимостей (предпочтительный ряд): Рис 2.7. Кривая огибающей эквивалентного дискретного спектра для белого шума f, Гц ед. ДЛИНЫ Л Гц . . ед. длины 100 0 355 5,5 112 0,05 400 6 125 1 450 6,5 140 1,5 500 7 160 2 560 7,5 180 2,5 630 8 200 3 710 8,5 224 3,5 800 9 250 4 900 9,5 280 4,5 1000 10 315 5 2) для неравномерного: f, Гц . . 100 120 140 160 180 200 225 250 275 300 350 400 ед. длины 0 0,8 1,5 2,0 2,6 3,0 3,5 4,0 4,4 4.8 5,5 6,0 А Гц . . 450 500 550 600 650 700 800 900 1000 ед. длины . ... 6,5 7,0 7,4 7,8 8,1 8,4 9,0 9,5 10,0 21
Таблица 2.2. Параметры третьоктавных полос1 Измерительные фильтры Нормализованные фильтры ДН/3 ОКТ lAf 1/3 ОКТ Границы полос, Гц /ср- r->s Гц дБ fcp- Г'1’ Гц дБ 16...20 17,9 4 6 16 3,6 5,6 20...25 22,4 5 7 20 4,6 6,6 25-31,5 28,0 6,5 8,1 25 5,8 7,6 31,5-40 35,5 8,5 9,3 31,5 7,3 8,6 40...50 44,7 10 10 40 9,2 9,6 50...63 56,1 13 11,1 50 11,5 10,6 63...80 71,0 17 12,3 63 14,5 11,6 80... 100 89,4 20 13 80 18,5 12,6 100... 125 112 25 14 100 23 13,6 125... 160 141 ’ 35 15 125 29 14,6 160...200 179 40 16 160 36,5 15,6 200...250 224 50 17 200 46 16,6 250-315 280 65 18,1 250 58 17,6 315...400 355 85 19,3 315 73 18,6 400...500 447 100 20 400 92 19,6 500...630 630...800 561 710 130 170 21,1 22,3 500 630 116 146 20,6 21,6 800... 1000 894 200 23 800 183 22,6 1000... 1250 1120 250 24 1009 230 23,6 24,6 1259... 1600 1410 350 25,4 1250 290 1600...2000 1790 400 26 1600 365 25,6 2000...2500 2240 500 27 2000 460 26,6 2500...3150 2800 650 28,1 2500 580 27,6 3150...4009 3550 850 29,3 3150 730 28,6 4000-5000 4470 1000 30 4000 920 29,6 5000...6300 5610 1300 31,1 5009 1160 30,6 6300...8000 7100 1700 32,3 6300 1460 31,6 8000... 10 000 8940 2900 33 8000 1830 32,6 10 000...12 500 11 209 2500 34 10 000 2300 33,6 12 500... 16 000 14 100 3500 35,4 12 500 2900 34,6 16 000...29 000 17 900 4000 36 16 000 3650 35,6 20 000...25 000 22 400 5000 37 29 000 4600 36,6 1 Приведены нормализованные параметры третьоктавных полос, жнт 3,322 октавы, а не 31/3. Значения средних частот н ширины ко округлены. ' Эти частоты определены как среднегеометрические. так как десятикратный интервал со дер полосы для удобства пользования несколь- Здесь даны интервалы для диапазона 100 ... 1000 Гц. Для частотных диапазонов 10 ...Too, 1000 .. 10000 н 10 000 ...100 000 Гц эти интервалы по оси частот соответственно составляют 0,1; 10 » 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- сок слуха, охватывающих частотный спектр звука (шума). Поэтому для получения стабиль- ного шума в практике используют дискретный спектр, состоящий из тональных составляю- щих. На рис. 2.7 приведена огибающая диск- ретного спектра, заменяющего измерительный шум со сплошным спектром типа белого шума. Так, например, для получения белого шума с общим уровнем 42 дБ надо брать следую- щие частоты с относительными уровнями, приведенными ниже: (ср, Гц L. дБ 50 19 150 20 250 20 350 20 (ср, Гц 1370 1600 1850 2150 L. дБ 23,5 24 24,5 25 (< р, Гн 7000 8500 10500 13500 L. дБ . . . . . 32 32,5 34 35 450 570 700 840 1000 1170 20,5 21 21,5 22 22 23 2500 2900 3400 4000 4800 5800 26 26,5 27,5 28,5 29,5 30,5 22
Но если взять гармонический спектр с ос- новной частотой не выше 80 Гц и с одина- ковыми уровнями каждой гармоники, то такой спектр также будет восприниматься как сплошной белый шум. 2.3. ВОСПРИЯТИЕ ПО АМПЛИТУДЕ Порог слышимости. Если волокно основ ной мембраны прн своих колебаниях не достает до ближайшего к нему нервного окончания, то человек такой звук не слышит Но как только прн 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- образный переход из слышимого состояния в неслышимое и обратно называют порогом слышимости. Абсолютное значение слухово- го 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- чем по оси ординат для удобства отложены уровни звукового давления. Часто приходит- ся иметь дело с различными зависимостями порога слышимости от частоты (см. рнс. 2.8). Разница между ними обусловлена различи- ем в условиях измерений порога. Так, напри- мер, 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 прн 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 рнс. 2.9 приведена частотная зависи- мость разности уровней звукового давления в свободном поле, измеренном в точке, со- ответствующей центру головы, и в слуховом канале. На рнс. 2.10 приведена частотная зависимость разности уровней порога слышн мости 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- мости у посетителей Всемирной выставки в Нью-Йорке в 1931 г дало результаты, приведенные на рис 2 11 Пороги слышимос- ти определялись для бинаурального слушания в свободном поле в случае фронтального падения звуковой волны. Уровень ощущения. При плавном увели- чении интенсивности звука выше пороговой слуховое ощущение нарастает скачками по мере увеличения числа возбужденных нервных окончаний. Рнс, 2.8. Частотная зависимость уровней поро- га слышимости: I — для бинаурального слушания, когда давление создается множеством источников звука, беспорядоч- но расположенных в горизонтальной плоскости во- круг головы (диффузный порог); 2— для бинау- рального слушания, когда давление создается источником звука, расположенным иа 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- дены едва заметные относительные измене- ния 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 Рис. 2.9 Частотная зависимость уровней зву- кового давления у входа в слуховой канал и звукового давления в свободном поле, изме- ренного в точке, соответствующей центру го- ловы под разными углами прихода звуковой волны: I — кривая разности уровней звукового давления у барабанной перепонки и звукового давления в по- ле для фз=0°; 2 — кривая разности уровней звуково- го давления у барабанной перепонки и звукового давления у входа в слуховой канал. Параметр кри- вых — угол между направлением звука и средин- ной плоскостью головы 23
tQQ 200 300 500 800/0002000 50008000 Рис. 2.10. Частотная зависимость разности уровней порога слышимости при монаураль- ном и биноуральном слушании Рис. 2.11. Статистическая частотная зависи- мость порога слышимости при бинауральном слушании в свободном поле для случая фрон- тального падения звуковой волны (параметр кривых — процент лиц, пороги которых лежат ниже величины параметра) Рис. 2.12. Частотная зависимость порога за- метности относительно изменения интенсивно- сти тона Д//7 (параметр кривых — уровень ощущения тона) ощущения эти значения значительно больше: для уровня 30 дБ они соответственно состав- ляют 0,6 на частоте 100 Гц; 0,35 — на 1000 Гц н 0,4 — на 8000 Гц. Следовательно, порог заметности изменения интенсивности на вы- соких и средних уровнях ощущения состав- ляет 0,2 ... 0,6 дБ, на низких уровнях он доходит до нескольких децибел, а в среднем немного менее I дБ. Увеличение уровня интенсивности тона в конце концов приводит к появлению ощуще- ния боли, наступает болевой порог, который на максимуме составляет по интенсивности около I 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- мости до болевого порога равен 130 дБ. Между болевым порогом и порогом слыши- мости 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- щий закон ощущения звука: одинаковые относительные изменения раздражающей силы вызывают одинаковые приращения слу- хового ощущения, т. е. слуховое ощуще- ние попорционально логарифму раздражаю- щей силы: Е = a 1g (/!/».с), где /ц с — раз- дражающая сила па пороге слышимости. Величину Е называют уровнем ощущения. При а 10 уровень ощущения выражается в децибелах: Е 10 lg (/ /ц.с). Уровень ощущения E — Lj — Ен.о где Ец.с— уровень порога слышимости; L, = 10 1g / + 120 уровень интенсивности звука /, Вт/м2. Уро- вень ощущения представляет собой уровень над порогом слышимости, т. е. относительный уровень. Громкость и уровень громкости. Уровень ощущения неточно характеризует субъек- тивное 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 Lq, фон ^-/юоогц> дБ при Gx = С1000 Гц, где Gx и С1000 Гц — громкости испытуемого звука и тоиа 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- вой с громкостью определяемого звука. При этом искомая величина уровня громкости этого звука будет численно равна уровню эталонного тона (1000 Гц). На рис. 2.13. при- ведены кривые равной громкости, опреде- 24
Рис. 2.13. Кривые равной громкости для бинаурального (а) н моноуральнога (6) слу- шания. Параметр кривых — уровень громкости ленные 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- ствующие 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 фон По мере повышения уровня кривые рав- ной громкости приближаются к прямой линии, параллельной оси частот, т. е. уровни гром- кости и звукового давления сближаются. Если слушание радиопередачи ведется в среднем на уровне громкости 80 фон, то прн 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 сос- 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- ках высшего класса для слушания на низких уровнях вводится соответствующая коррек- ция на низких частотах. Когда измеряют высокие уровни гром- кости шумов, то частотная характеристика измерителя шумов (шумомера) берется близ- кой к равномерной, что соответствует субъек- тивному восприятию на высоких уровнях громкости (см. рис. 2.13, а, кривые от 80 фон и выше). Но когда измеряют уровни гром- кости шумов низкого уровня, то показания шумомера близки к субъективному ощуще- нию громкости только в случае, если в шумо- мере введена коррекция, учитывающая то, что прн 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- рону низких частот. Так, если измерение проводится на уровне громкости около 50 фои,.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- ются для измерения уровней в пределах 30 ... 55 фон); шкала В —для уровня гром- кости около 70 фон (пользуются для измере- ния уровней в пределах 55 ... 85 фон) и шкала С — для уровней громкости выше 85 фон. Однако шумомеры дают правильные пока- зания уровня громкости только для чистых тонов или узкополосных шумов, а для спект- ров, состоящих из нескольких составляю щих, и для широкополосных спектров их показания соответствуют уровню звукового давления с поправкой по кривой равной громкости без учета взаимодействия состав- ляющих (см. §2.3). Поэтому, чтобы не сме- шивать показания с действительным уров- нем 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- вительному субъективному масштабу. Напри- мер, увеличение уровня громкости иа 10 фои в диапазоне уровней выше 40 фон соответст- вует 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
Рис, 2.14, Зависимость громкости тона (в со- нах) от уровня громкости (в фонах): I — экспериментальная; 2— нормализованная уровни громкости и громкость для наиболее типовых звучаний. Для Lq 40 фон зависимость между громкостью G в сонах и уровнем громкости в фонах для чистых тонов может быть выраже- на в следующем приближенном виде G = о, 1 (L 40) 2 ° Заметим, что по этой формуле и табл. 2.3 получаются несколько заниженные значе- ния громкости, особенно для ее больших значений, по сравнению с экспериментальны- ми данными рис. 2 14 Введено понятие кривых равной неприят- ности. Они представляют собой частотную зависимость уровней интенсивности тона или узкополосного шума, субъективно ощущае- мых с одинаковой неприятностью. Эти уров- ни определяют путем подбора такого уровня чистого тона 1000 Гц, который будет слышать- ся одинаково неприятно с заданным уровнем тона (или шума) на заданной частоте На рис 2.15 приведены кривые неприятности для различных уровнен (параметром кривых служит уровень тона 1000 Гц). Для широко- полосных шумов кривые равной неприятно- сти соответствуют уровням шума в полосах частотных групп. Для удобства эти кривые пересчитывают в октавные уровни и относят к средней частоте октавы. Соответствующие Рнс. 2 15. Частотные зависимости уровня зву- кового 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- ют 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 октавной полосе со средней частотой 1000 Гц. В этой же таблице приведены суммарные уровни громкости всего шума для данного спектра (Эги 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 н 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- ние 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- ной повышения порога слышимости для при- нимаемого звукового сигнала М = 7-п.с.ш — — Еп.с.т, где Гц.с.т и Z-п.с.ш—уровни порога слышимости в тишине н при помехах. При повышении порога слышимости со- ответственно изменяется и уровень ощущения. В этом случае уровень ощущения Еш = ~ Ю 1g (/^п.с.ш) ' ^1 ^*п.с ш = 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. Прн разности частот около нескольких десятков герц величина маскировки начинает уменьшаться (из-за бие- ний), и при равенстве частот она имеет мини- мум. Точно такие же минимумы наблюдаются и на частотах, кратных частоте маскирующе- го тона. (Это вызывается появлением биений между маскируемым тоном и субъективными гармониками маскирующего тона.) Пример. Мешающий тон имеет частоту 400 Гц н уровень 80 дБ. Найти минимальный уровень для тона 1200 Гц, который может быть услышан на фоне мешающего тона. Из кривой рис. 2.16 для параметров 400 Гц и 80 дБ находим для частоты 1200 Гц величи- ну маскировки, равную 60 дБ. Так как для 26
Таблица 2.3. Средний уровень громкости наиболее часто встречающихся звуков « шумов Источник шума н место его измерения Уровень громкости, фон Громкость1, сои Шумы вне помещений Шум в кабине самолета 128...130 875... 1400 Авиационный мотор иа расстоянии 5 м 116...120 346...556 Громкий автомобильный гудок на расстоянии 8 м 95...100 57-88 Электропоезд на эстакаде на расстоянии 6 м 90 38 Шум в поезде метро во время движения 85-90 25...38 Автобус (полный ход) на расстоянии 5 м 85-88 25...32.2 Трамвай на расстоянии 10...20 м 80...85 17,1-25 Троллейбус на расстоянии 5 м 77 13,5 Грузовой автомобиль в городе на расстоянии 5—20 м 60...75 4,35-11,4 Легковой автомобиль в городе на расстоянии 5...20 м 50-65 2,2-5,87 Большая демонстрация: с оркестром на расстоянии 5 м 96 62 с пением на расстоянии 5 м 60...62 4,35-9.12 Свисток милиционера на расстоянии 20 м 70 7,95 Улица с интенсивным движением и трамваем 75...80 11,4—17.1 Шумная улица без трамвайного движения 60...75 4,35-11,4 Обычный средний шум на улице 55...60 3,08-4.35 То же, в момент затишья днем 40 0,975 Тихая улица (без движения транспорта) 30...35 0,36-0,62 Тихий сад 20 0,097 Производственные шумы Удары молота по стали, клепальная машина на расстоя- нии 2—4 м 110...113 215-288 Котельные цехи 100...103 88-116 Общий шум в ткацком цехе 96... 109 62-88 Деревообрабатывающая фабрика (заготовительные, ка- русельные, лесопильные цехи) 96-98 62-74 Заводы: электромеханические, автомобильные, штампо- вочные 90...92 38...45 Цехи резиновой промышленности (вальцовочные) 90...92 38...45 Вентилятор в помещении 90-95 38...57 Вентиляционное оборудование у выхода отверстия 50 2,2 вентиляционного канала сечением 1X1 ми длиной око- ло 100 м Театры, школы, больницы Оркестр 80... 100 17,1...88 Зал при массовых сценах 75-95 11,4-57 Аплодисменты 60-75 4,35-11,4 Громкая музыка по радио 80 17,1 Радиоцентр (студия во время исполнения соло) 40...50 0,98-2,2 Актовые залы в школах во время перерыва 55...62 3,08—4.65 Аудитория при ответах учащихся 30...32 0,36—0,46 Библиотеки 25-30 0,2-0,36 Больницы 20-30 0.1...0,36 Учреждения Машинописные бюро (незаглушенное) иа восемь маши- нисток 60-75 4,35-11,4 Шумное собрание 65-79 5,87-7,95 Разговор на расстоянии 1 м: громкий 65-70 5,87—7,95 обычный 55-60 3,08-4,35 Громкий разговор по телефону 55 3,08 27
Продолжение табл. 2.3 Источник шума и место его измерения Уровень громкости, фон Громкость’, сон Канцелярия прн посетителях 40...45 0,98... 1.5 Коридоры 35...40 0,62...0,98 Бухгалтерия без посетителей 30...35 0,36...0,62 Общественная столовая 50...52 2,2.2,51 Кухня при общественной столовой 48-50 1,92-2,2 Жилые помещения Комната шумная 40...50 0.98...2.2 Столовая во время обеда 45...48 1,5—1,92 Кухня на одну семью 25...28 0,2-0,29 Комната тихая 25...30 0,2-0,36 Кабинет прн одном работающем 20...25 0,1 ...0,2 Разговор трех человек в обычной комнате 45...50 1,5-2.2 Шопот средней громкости на расстоянии 1м 20 0.1 Тикание часов на расстоянии 0,5 м 30 0,36 Степени музыкальной громкости Форте-фортиссимо Фортиссимо Форте Меццо форте Меццо-пиано Пиано Пианиссимо Пнано-пианнсснмо Порог слухового ощущения 0 Данные громкости определены для чистых тонов. 100 88 90 38 80 17,1 70 7,95 60 4,35 50 2,2 40 9,98 30 0,36 0 0 Таблица 2.4. Предельные спектры шумов по уровням звукового давления Тип Предельные спектры шумов, дБ, для среднегеометрических частот октавных полос, Гц Уровень, ДВА 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 ПС-20 51 39 31 24 20 17 14 13 25 ПС 25 55 44 35 29 25 22 20 18 30 ПС-30 59 48 40 34 30 27 25 23 35 ПС-35 63 52 45 39 35 32 30 28 40 ПС 40 67 57 49 44 40 37 35 33 45 ПС 45 71 61 54 - 49 45 42 40 38 50 ПС-50 75 66 59 54 50 47 54 43 55 ПС 55 79 70 63 58 55 52 50 49 60 ПС-60 83 74 68 63 60 57 55 54 65 ПС -65 87 78 73 68 65 62 60 59 70 ПС 70 89 82 77 73 70 68 66 65 75 ПС75 94 87 82 78 75 73 71 70 80 ПС-80 99 92 88 83 80 78 76 74 85 28
Таблица 2.5. Санитарные нормы по уровню шумов для учреждений связи Тнп помещения Норма Для сна и отдыха Для умственной работы без собственных источников шума (конструкторские бюро, комнаты программистов, лаборатории для теоретических работ и обработ- ки экспериментальных данных) Для речевой связи и телефонной связи (диспетчерские пункты, пульты управле- ния, кабины наблюдения, контрольно-справочная служба), ЦУС, ОУС с мало- мощным оборудованием, лаборатории, фотолаборатории, аккумуляторные и т. п. Для конторского труда с источниками шума (арифмометры), для точной сборки, цеховой администрации, а также помещения, где источником шума являются люди (коммутационные залы МТС, справочные залы, АТС, переговорные пунк- ты, бюро ремонта, служба приема телеграмм по телефону), аккумуляторы с координатной системой (автоматные залы, узлы входящих и исходящих сообще- ний, автоматные н стативпые залы АТС, цехи прямых соединений и абонентского телеграфа), залы с аппаратурой уплотнения (релейные, воздушно-кабельные, ли- нейно-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 н дистанционного управления, не требу- ющие речевой связи, а также помещения с‘телеграфными аппаратами, аппарат- ные и коммутационные залы ЦТ, фотоаппаратные, помещения с коммутацион- ным оборудованием для декадно-шаговой системы МТС‘и ЦТ (автоматные и стативные залы МТС, цеха прямых соединений и абонентского телеграфа), ОУС с мощным оборудованием, электроцехн с полупроводниковыми преобразовате- лями 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- лительных машин, помещения перфораторных МТС и регулировочных мастер- ских телеграфных аппаратов Производственные помещения (на рабочих местах и па территории предприятий) электроцехи с электромашипнымн преобразователями тока (генераторные, венти- ляционные, насосные, кондиционеры), дизельные, гаражи, механические мастер- ские ПС-35 ПС-45 ПС-50 ПС-55 ПС-60 ПС-65 ПС-70 ПС-80 Примечание. 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- не (см. кривую 2 на рис. 2.8) равен 0 дБ, порог слышимости в шуме будет равен 60 дБ. Поэтому уровень интенсивности тона 1200 Гн должен быть не менее 60 дБ. Если же мешаю- щий тон будет иметь частоту 2400 Гн и уровень 80 дБ, то величина маскировки на 1200 Гц (см. кривые на рис. 2.16 для парамет- ров 2400 Гц и 80 дБ) будет равна 5 дБ. Следо'- вательно, можно не считаться с маскировкой от действия тона 2400 Гц. На рис. 2.17, а приведены кривые маски- ровки узкополосной шумовой помехи. Кривые отличаются от тональных только отсутствием провала из-за биений. На рис. 2.17, б приве- дены кривые маскировки для широкополос- ного шума флуктуационного типа. В этом случае величина маскировки чистого тона определяется интенсивностью шумов, попа- дающих 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- нем выше 20 дБ пороговая интенсивность Ai.c.hi — •//Д/кр- где •//—спектральная плот- ность на частоте /; А /кр — ширина критичес- кой полоски. Если взять белый шум, то его общая интенсивность будет превышать интенсив- ность в каждой из критических полосок. На- пример, для равномерного (белого) шума со спектральной плотностью, равной 10 едини- цам, в диапазоне до 4000 Гц общая интенсив- ность 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- вень порога слышимости на частоте 1000 Гц будет на 10 1g (40 000/620) — 18,1 дБ ниже общего уровня интенсивности. Громкость сложных звуков. Если тональ- ные нлн шумовые составляющие попадают 29
в одну и гу же частотную группу, то их сум- мирование происходит по интенсивности. Громкость такого сложного звука опреде- ляется суммарной интенсивностью, т. е. суммарный уровень для двух составляющих с одинаковым уровнем будет на 3 дБ выше и на столько же увеличится уровень гром- кости, 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- ны 60 дБ. Следовательно, их уровни гром- кости равны 53 фон (см. рис. 2.13, а), а громкости — 2,40 сон (см. табл. 2.3). Сум- марный 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. а) 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- метр кривых — уровень ощущения маскирующего тона; вверху каждого графика ука- зана частота маскирующего тона) 30
Рис. 2.17 Кривые порога слышимости тона при маскировке узкополосным (а) и бе лым (6) 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- ности и громкости 63 фон и суммарная гром- кость 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- костью 8 сон каждый, т. е. имеющих уровни громкости по 70 фон (см. табл. 2.3), то сум- марная 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 интенсивностей. Если состявляющие сложного звука рас- положены 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- костей 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- ность. Если расширить спектр вдвое, то сум- марная интенсивность увеличится вдвое (уровень интенсивности увеличится на 3 дБ), и если полоса частот 'находится недалеко от частоты 1000 Гц, то уровень громкости воз- растет более чем на 3 фон, но меиее, чем на 10 фон, что получается при воздействии раз- несенных по частоту полосок частот. Поэто- му для широкополосного шума уровень громкости выше уровня его интенсивности. На рис. 2 18 дана экспериментальная зависи- мость между уровнем интенсивности тона с частотой 1000 Гц, уровнем белого шума (БШ) и уровнем шума с одинаковой интенсив- ностью в каждой частотной группе (равно- мерно воздействующий шум — РВШ), с одной стороны, и их уровнями громкости — с другой. Там же нанесена шкала громкостей. Как и полагается, для тона уровень громкости н уровень интенсивности совпадают друг с другом. Уровень громкости белого шума получается выше уровня его интенсивности на 7 ... 10 фон Для равномерно воздействую- щего шума это приращение составляет около 13 ... 17 фон. Для сложных спектров шумов расчет' громкости дан в [2.2]. При сложении основного и запаздывающе- го (например, отраженного) речевых сигналов наблюдается приращение уровня громкости речи. Прн этом для слабых сигналов (до Lg = 55 фон) это приращение для запазды- вания 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- ние уровня громкости получается до 5 фон прн запаздывании около 50 мс. При больших запаздываниях приращение снижается до 3 фон, т. е как при энергетическом сложении Рнс. 2 18. Зависимости громкости тона 1 кГц, белого шума (БШ) и равномерно воздейству- ющего шума (РШВ) от уровня звукового дав- ления 31
Рис. 2.19. Приращение уровня громкости в зависимости от величины запаздывания при сложении речевого сигнала с его запаздыва- ющим повторением: 1 — уровень громкости каждого из сигналов 55 фон; 2 — уровни громкости 65 . .75 фон сигналов. На рнс. 2.19 показаны кривые при- ращения 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- дающих в разные критические полоски слуха, слух не реагирует на взаимные фазовые сдви- ги между составляющими, т. е. не реагирует на форму кривой. Так, например, звучание сложных звуков типа (-1)*+1 1) JL ~2fe--“ sin |(2А — 1) <о<| и * = 1 2) 2Л — J sin|(2fe~ ш/|’ имеющих вид. представленный на рис. 2.20, различается на слух только из-за нелиней- ности слуха, появляющейся при уровнях гро- мкости 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 Рис. 2 20. Звуковые колебания, одинаково воспринимаемые слухом постоянной времени слуха. Величина этой постоянной времени зависит от ряда обстоя- тельств и даже от параметров воспринимае- мого звука. В среднем она считается равной 150 ... 200 мс. Если к слушателю приходят два звука с длительностью менее 50 мс, но один из иих запаздывает на время не более 50 мм (зона 0 на рис. 2.21), то оба звука всегда восприни- маются 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- приниматься (зона I) или восприниматься раз- дельно 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 онн уже воспри- нимаются 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- приятия этих звуков называют эхом Если разность уровней. прямого и отра- женного звука не превышает предела обозна- ченного кривой 2, то запаздывающий звук можно услышать (зона II), при превышении этого предела запаздывающий звук заметен в виде эха, ио еще не снижает разборчивость речи (зона III). При разности уровней, пре- вышающих кривую 3 (зона IV), наблюдается снижение разборчивости речи из-за эха. Пользоваться этими кривыми удобно толь- ко при ручном расчете, а при использовании вычислительных машин надо иметь их ана- литическое представление в виде аппроксима- ции Предлагается достаточно точная аппрок- симация (точность около 1 дБ) следующего А 100 вида: для кривой / Д£х = — 1g А/мс — О — 45 дБ, где Д/ — время запаздывания, мс; для кривой 2 — \Ьг = 35 1g Д/мс — 54, дБ 80 и для кривой 3 ДБЯ =- — 1g Д/мс — дБ* Пример. Слушатель находится между ис- точником звука и отражающей стеной на рас- стоянии 17 м от них. Если коэффициент отра- жения звука от стены близок к единице, то интенсивность прямого звука будет в 512 : I72 = 9 раз больше интенсивности отра- женного звука. По уровню эта разница будет составлять 10 1g 9 * 9,5 дБ Разность хода отраженного звука и прямого составит 34 м, поэтому отраженный звук будет запаздывать по отношению к прямому на (34-1000)/340 — = 100 мс. Из рис. 2.21 следует, что это будет заметно. А если источник звука будет на- ходиться на расстоянии 3 м от слушателя, то *Если подставить разность хода, то 80 Д£3 = — Lg Д х — 38 дБ. 32
разность уровней будет составить 10 1g X X (3 + 2-17)2/32 = 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- руживать даже небольшую разницу между частотами двух тонов и замечать небольшие изменения частоты тона. Так называемая послемаскировка сигнала, вызываемая слуховым впечатлением, тем длительнее, чем выше уровень предшествую- щего 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- точно 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 самомаскнровки речи будет составлять Е ~ (Вр + Кс) — (Вр — 24 + + Хс), т. е. не превысит 24 дБ. Кроме самомаскнровки 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 н его высоты определяется временем, равным 2—3 периодам колебаний. На низ- ких 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- сти импульса к 200 мс и определяется выраже- нием /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- ний, равной 200 Гц, порог слышимости им- пульсов равен порогу непрерывного тона. Для узкополосных шумовых импульсов (с шириной спектра ])же или равной ширине частотной группы) справедливы все соот- ношения, определенные для тональных им- пульсов. Для широкополосных шумовых им- пульсов граничная длительность импульса со- ставляет только 50 мс, т. е. шумовые импульсы длительностью более 50 мс воспринимаются так же, как и непрерывный шум. При уменьше- нии длительности в 10 раз, т. е. до 5 мс, порог слышимости снижается не на 10 дБ, как для Рнс. 2.21. Зависимость между требуемой раз- ностью уровней прямого и запаздывающего (отраженного) звуков и временем запаздыва- ния отраженного звука: кривые 1 — граница слышимости эха, 2 — граница заметности эха; 3—граница мешающего Действия эха; зоны: 0 — слитное восприятие звуков. I — эхо неслышимо; II — эхо прослушивается; III—эхо за метно. но не мешает восприятию речи. IV — эхо снижает разборчивость речи тональных импульсов, а всего на 7 дБ. Повто- ряющиеся импульсы сливаются в непрерыв- ный шум при большем значении частоты повто- рений, чем для тональных импульсов Громкость тональных импульсов зависит от интенсивности импульса и его длительности. На рнс. 2.22 приведена зависимость разнос- ти уровней тонального импульса 1 кГц и равномерного стационарного тона от длитель- ности импульса. Из этих данных следует, что громкость импульса определяется про- изведением интенсивности импульса иа его длительность, причем граничной частотой является частота 100 Гц, т. е громкость им- пульсов длительностью более 100 мс опреде- ляется только его интенсивностью и не зави- сит от длительности. Громкость повторяющих- ся 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 импульсов определяется аналогич- Рнс. 2.22 Зависимость разности уровней то- нального импульса 1 кГц и равногромкого стационарного тона от длительностей импульса, штриховая линия соответствует постоянству произведения интенсивности на длительность 2 Зак. 1Ь88 33
но громкости тональных импульсов Для шумовых импульсов, имеющих спектр в поло- се частот, охватывающих несколько частот- ных групп, громкость импульсов определяет- ся еще и шириной полосы шума. Для повторяющихся импульсов широко- полосного 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- вается с помощью «ищущего» тона: к уху дополнительно подается другой тон — «ищу- щий», частота которого плавно изменяется в диапазоне выше частоты исследуемого тоиа. На каждой кратной частоте этого тона про- слушиваются биения, как если бы в действи- тельности к уху подводились гармоники этого типа. Поэтому они называются субъек- тивными. На рис. 2.23 приведены зависимости уров- ней субъективных гармоник от уровня чисто- го тона, 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- мой, соответствующей уровню 100 дБ. Пере- сечение происходит на ординате 64 дБ. Следо- вательно, четвертая гармоника по своему уровню соответствует тону с уровнем 64 дБ. При слушании двух чистых тонов с частота- ми, не попадающими в одну н ту же критичес- кую полоску слуха, человек часто слышит Рнс. 2.23. Зависимость уровней интенсивности субъективных гармоник различных порядков от уровня тона, измеренного у входа в слу- ховой канал (параметр кривых — порядок гар- моники) тон разностной частоты с достаточно высоким уровнем ощущения. С меньшими уровнями он слышит тон суммарной частоты и других комбинационных частот типа mfA ± nf2, где тип — целые числа. Например, если уровень каждого из чис- тых тонов составляет 60 дБ, то уровень раз- ностного тона не превышает 40 дБ. При уров- нях составляющих, равных 80 дБ, уровень разностного тона достигает также 80 дБ. Приближенно интенсивность разностного тона растет пропорционально произведению интенсивностей первичных тонов, т. е. уровень разностного тоиа Lp = + L2 — 80. При воздействии на слух сложного тона, имеющего большое число гармоник, комби- национные составляющие'будут иметь частоты, равные частотам гармоник, т. е. только несколько изменится огибающая спектра. При воздействии на слух сложного звука, состоящего из тонов с некратными состав- ляющими, получается «засорение» спектра многочисленными комбинационными частота- ми, по частоте не совпадающими с исходными. В громкой передаче даже при отфильтровы- вании всех частотных составляющих ниже 1000 Гц человек все же слышит низкочастот- ные составляющие, если уровень исходного звука достаточно высокий. Этн частотные составляющие являются продуктами нелиней- ности в слуховом тракте. При плохом вос- произведении низких частот стремятся слу- шать передачу на высоких уровнях; создается впечатление лучшего звучания низких частот. Правда, при этом искажение происходит и на высоких частотах, но оно менее значитель- но и менее заметно. 2.7. БИНАУРАЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ Бинауральным эффектом называют эф- фект слушания двумя ушами. Он выражается в виде стереоакустического (стереофоничес- кого) эффекта, аналогичного стереоскопичес- кому эффекту зрения, а также заключается в том, что вследствие такого слушания резко повышается точность определения направ- ления прихода звуковых волн. В обычных условиях слушания человек определяет иаправлеиие 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- нию расстояния между отверстиями раструбов до тех пор, пока это расстояние не будет близко к половине длины принимаемой зву- ковой волны. Точность определения направле- ния прихода звуковых волн в вертикальной плоскости головы не превышает 20s, такая же точность определения получается при слуша- нии одним ухом. Стереоакустический эффект слушания заключается в том, что человек «ощущает» 34
поперечные размеры источника звука, а так- же его «глубину», т. е. размеры источника звука по линии прихода звуковых волн к слушателю. Слушатель на слух легко опре- деляет местонахождение того или иного инструмента в оркестре, «его координаты», т. е. слушание двумя ушами создает акусти- ческую перспективу. Если человек слушает одну и ту же пере- дачу 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- ковом уровне звучания источников звука виртуальный1 источник звука находится на середине между источниками звука. При неодинаковых уровнях звучания виртуаль- ный источник звука смещается в сторону источника звука с более высоким уровнем звучания. Местонахождение виртуального источника звука можно определить по отно- шению интенсивностей, создаваемых источ- ками звука (отношение интенсивностей при- мерно равно отношению расстояния виртуаль- ного источника звука от действительных ис- точников). Если человек слушает одну и ту же пере- дачу от источников звука (например, громко- говорителей). находящихся перед ним иа разных расстояниях от него (нлн находящих- ся на одинаковом расстоянии от него, но при этом один из источников воспроизводит сиг- нал с некоторой време иной задержкой по отношению к другому источнику), то при равном уровне основного и задержанного сигналов виртуальный источник звука ощу- щается на месте источника звука, излучаю- щего 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- ках 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- тия, приходит воспринимаемый им сигнал. Рис. 2.24. Влияние запаздывающего повторе- ния сигнала на локализацию виртуального источника сигнала сигнала ощущается как появление помехи в виде эха, хотя местонахождение виртуаль- ного источника звука остается на прежнем месте Следовательно, опережающий сигнал при одинаковом уровне с задержанным пол- ностью подавляет последний. Если же повы- сить уровень запаздывающего сигнала, то можно добиться того, что оба источника звука будут восприниматься раздельно даже при за- паздывании менее 50 мс. На рис. 2.24 дано не- обходимое повышение уровня запаздывающего сигнала в зависимости от временной задерж- ки. 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. При 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- ный источник звука совпадает то с основным источником, то с источником задержанного сигнала. Если источники звука имеют резко разли- чающийся тембр, то они могут легче разли- чаться слушателем и возможен их раздель- ный прием даже при равных уровнях интен- сивности сигналов, приходящих от них к слушателю Эти свойства используют для создания стереоакустического эффекта и аку- стической перспективы при воспроизведении передач с помощью электроакустических устройств, т. е. для стереофонических пере- дач. РАЗДЕЛ 3 ПЕРВИЧНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ СИГНАЛЬ! 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- да, пение соловья и т п ). Акустические сигналы, как правило, от- носятся к случайным процессам. Исключени- ем являются сигналы, подобные завыванию сирены, вою гудка и т. п. Правда, в музыкаль- ных сигналах очень большие участки могут
иМёТь периодический характер, но в среднем для больших интервалов времени и музыкаль- ные сигналы можно рассматривать как слу- чайные. Поэтому акустические сигналы опре- деляют распределениями по уровню, по часто- те и во времени и соответственно средним значением по уровню, динамическим диапа- зоном, формой спектра, частотным диапазоном и временем корреляции отдельных участков сигнала. 3.2. ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН И УРОВНИ В процессе любой передачи уровень акус- тического 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- менную зависимость уровня, определенно- го 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 нзмере ний пиковых значений пользуются уровне- граммой, представляющей временную за- висимость пиковых уровней, определенных для постоянных времени 1...2 мс для нара- стания 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 Lh Для этого уровня (см. рис. 3.1. а) можно написать, что время, в течение которого уровень сигнала будет не ниже его, определится суммой т = + Д/2 + ... -4- Ыт 4- ... 4 Д/л, где Д/т — временные интервалы действия сигнала. Следовательно, относительное время пре- бывания уровня сигнала над заданным w — т/Т, где Т — длительность всего участка сигнала (она должна быть достаточно боль- шой: не менее 15 с для речи и 1 м для музыки). При меньших интервалах времени распреде- ление будет иметь значительный разброс из-за иестационарности процесса. Если таким об- разом определить величину w для разных уровней, то можно построить кривую интег- рального распределения уровней для данного сигнала На рис. 3.1, б дано такое распределе- ние для рассматриваемой уровнеграммы Установлено, что средние распределения уровней, полученных для первичных музы- кальных и речевых сигналов, близки к нормальному распределению. Введено понятие квазимаксимального уровня сигнала Lmax. Для этого уровня отно- сительная длительность существования уров- ней не ниже его равна 2 % для музыкальных сигналов и 1 % для речевых, информацион- ных. Одновременно введено и понятие квази- минимального уровня Emln Для этого уровня относительная длительность существования уровней не ниже его составляет соответствен- но 98 и 99%, что адекватно относительной длительности существования уровней не выше его, равной 2 и 1 % (см. рис 3.1, б) Разность между кврзимакснмальным и квазиминнмальным уровнями называют дина- мическим диапазоном: D ~ Elnax — Z,mlll. Таким образом (см рис. 3.2) находят динами- ческие диапазоны для ряда первичных акус- тических сигналов, включая н речевой сигнал. Некоторые из них приведены в табл. 3.1. Из таблицы следует, что вещательный динами- ческий 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- нию 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- ческого сигнала можно определить или исходя из того, как человек его ощущает, или как он воспринимается соответствующей Рис. 3.1. Уровнеграмма (а) и по- строение (б) кривой интегрально- го 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- валов 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- мается и человеком, и аппаратурой. Все эти средние значения можно измерить, если со- ответственно подбирать постоянную времени прибора. Для получения длительного сред- него (усредненного) значения постоянную времени берут равной 15 с для речи и 1 м для музыки. Во всех случаях среднее значение по ин- тенсивности в момент времени /0 определяется выражением 7’cp = -~ J f (t)e*p[-(t0~t)/T]dt, где ехр [—(/0 — t)/?'] представляет характер процесса регистрации сигнала с учетом «памяти» прибора вследствие наличия у него интегратора с определенной постоянной вре- мени; Г — постоянная времени интегра- тора-регистратора; f (/) — временная зависи- мость интенсивности сигнала. В соответствии с определением уровня средний акустический уровень сигнала 7-ср — 10 1g (Iср/1о) — Ю 1g /ср Вт+ -J-120, (/„ = 10-В * * * 12 Вт/м2). В табл. 3.2 приведены средние значения звукового давления, создаваемого музыкаль- ными инструментами для отрывков испол- нения длительностью 15 с. В табл. 3.3 приве- дены такие же данные для речи. Приведенные средние значения для музыкальных инстру- ментов характеризуют не только мощность инструмента, но и исполняемый отрывок музыкального произведения. Разность между квазимакснмальными и усредненным уровнями (за длительный про- межуток времени, т. е. 15 с для речи и 1 мин для музыки) называют пик-фактором. П = = Lmax — LCp (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- емых на различных инструментах. В табл. 3.3 такие же данные приведены для речи. Для музыкальных сигналов пик-фактор доходит до 25 дБ н более, а для речевого сигнала в среднем он составляет 12 дБ. Ниже приведены данные по частоте встре- чаемости пиков в речи: Рис. 3.2. Интегральные распределения уров- ней: I — симфонический оркестр из 76 исполнителей: 2 — эстрадный оркестр; 3 —речь (D| = 58 дБ; Ds=45 дБ; Оз=28 дБ) * Для новых видов музыкальных передач, как, на- пример, поп-музыка, требуется динамический диапа- зон до 90 дБ и выше (иногда до НО дБ), ио цри та- ких передачах возникает перегрузка слуха, приводя- щая 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- ней, в которых лежит пиковое значение над средним уровнем речи, дБ; п — число про- межутков (длительностью 1/8 с), в течение которых пиковое значение выше данного предела, %. Мощность голосов н соответственно уровень, создаваемый ими, имеют очень большой разброс. Ниже приведены данные Выше 20 18. . .20 16. .18 14. . .16 12. . .14 10. . 12 8. . 10 6. . .8 2 3 6 8 10 11 11 10 4...6 2...40 2 ниже 0 дб 8 6 4 22 37
Таблица 3.2. Звуковое давление м мощность, развиваемые музыкальными инструментами Инструмент Расстояние, м Среднее звуковое давление, Па Пик-фак- тор. ДБ Пиковое значение мощности излуче- ния. Вт Область наивысших пиковых значений, Гц Пиковое значение в пределах полосы наиболь- шей мощности, Вт Большой барабан 90X38 см проба А 0,9 9,9 10 24,6 250...500 9,8 проба В 0,9 2,78 7,7 1.2 2O...62.5 250...500 0,24 0,19 Большой барабан: 75X30 см 0,9 3,5 16 13,4 125...250 1,7 85X48 м 0,9 6,6 5,8 4,9 20...62.5 1,2 Барабан военный 1,2 1,46 20,5 11,9 250...500 3,7 Цимбалы 37 см 0,9 1,8 — 9,5 8000... 11 300 0,95 Треугольник 0,9 0,23 — 0,050 5600...8000 0,017 Контрабас 1,5 0,42 10,8 0,156 62.5...125 125...250 0,078 0,078 Бас-саксофон 1,05 0,41 16,6 0,288 250...500 0,228 Бас-труба 1,5 0,54 9,7 0,206 250. 500 0,082 Тромбон 0,9 0,65 17,5 6,4 600...700 0,064 Труба 0,9 0,86 12 0,314 2000...2800 250...500 0,051 0,047 Английский рожок 0,9 0,38 11,2 0,053 500...700 250...500 0,047 0,053 Кларнет 0,9 0,35 11,5 0,050 250...500 0,0055 Флейта 1,05 0 16 — 0,055 700 1000 0,0045 Пикколо 1,05 0,22 0,084 1400...2000 2000-2800 0,0045 0,021 Рояль 3,00 0,26 9,8 0,267 250...500 0,267 3,00 0,35 — 0,248 250. .500 0,248 Орган 3,6 0,21 13,2 0,35 250...500 0,11 Орган фортиссимо 3,6 2,0 8,7 12,6 20-62,5 2,5 Оркестр из 15 инстру- ментов в лаборатории Пульт дирижера 4,00 0,79 14,3 9,9 250-500 0,45 То же, из 18 То же 0,66 10,3 2,5 2000...2800 250...500 0,32 0,80 Оркестр из 75 инстру- ментов в театре, проба А Пульт дирижера в среднем 4,5 0,51 17,7 8,2 2000...2800 125-200 250-500 2000...2800 0,82 1 03 1,03 То же, проба В То же 0.46 27,8 66,5 250...500 6,7 » проба С 0,47 21,2 13,9 8000. 12 000 250...500 5,3 1,4 » проба D 0,66 24,1 13,8 2000..2800 125...250 1,4 1.7 250-500 2000...2800 1,7 1.7 Флетчера по разбросу величин мощности голоса: Ра . . . менее 1/16 1/16. . . 1/8 1/В . 1/4 1/41/2 т, % 7 9 14 18 Примечание. За единицу принята сред- няя мощность голоса Все эти данные относят- ся к сигналам, не прошедшим обработки, в том числе и воздействия акустических свойств помещения. 1/2. . I 1 .2 2. . .4 4. . .8 Более 8 22 17 9 4 О На рис. 3.3 приведены усредненные рас- пределения 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 Расстояние» см Среднее звуковое давление» Па Пиковое значение мощности, мВт Пик-фактор, дБ Область пиков, Гц иаивысшнх Речь телефонная: со средним уровнем 2,5 2 0,24 12 250...500 громкая 2,5 4 4,0 18 500... 1000 тихая 2,5 1 0,025 8 250...500 Разговор 100 0,05 0,5 10 250.500 Оратор 100 0,1 2,0 12 250...500 мода обоих распределений лежит около 0,5 ы>. Это означает, что наиболее вероятные значения текущей мощности w лежат при- мерно на 3 дБ ниже долговременного (дли- тельного) среднего значения мощности (щ). 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- няющиеся форму и состав спектра. Эти спект- ры могут быть дискретными, сплошными и смешанными, высокочастотными и низкочас- тотными. 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 f (0 = У. Ск exp (iinkt/T) = СЮ = %* Сдехр (ifewj/), где Св, ак и Ьк — коэффициенты Фурье: 772 Со— У i (0 dt} — Т/2 Т/2 ak=— у f (/) cos 2nk-^ dt’ —Tt2 T/2 2 C t bh=— J f (/) sin2nfc — dt. — T/2 Отсюда Ck = ak+ibk: СЬ = У ak + bk', tg tyh = bk/ak. Спектр тонального сигнала с некратными частотами имеет вид1 1 Различают еще сигналы с почти периоди- ческими и квазигармоническими спектрами. К первым относятся сигналы, состоящие из нескольких сложных тонов с некратными основными частотами, ко вторым — эквиди- стантные спектры типа спекторов ампли- тудной и частотной модуляции с несущей частотой, не кратной основной частоте моду- лирующего сигнала. где Т — период колебаний; o>i — угловая частота колебаний первой гармоники; k — целые числа от — <» до оо; Ск = Cfc X Хехр(— i<pft) — комплексная амплитуда; ск — амплитуда гармоники; <рь — начальная фаза ее. Комплексная амплитуда Т/2 Cfe=-y J* f (t) exp (— i2nk//T)dt. — Т/2 Рис. 3.3. Усредненные распределения текущей мощности речи (а) и музыки (б). По оси абсцисс отложено отношение текущей мощно- сти к усредненной, по оси ординат — вероят- ность появления этого значения В вещественной форме ряд Фурье имеет вид f (/) =С0+ У, (ak cos/, 0>j Z + bfe sin ko>1 t) , * = 1 39
ОО /(0= У Ch COS (<i>ht+<Ph), *=1 где (Ой, Ck и (pk — частоты, амплитуды и фазы составляющих: Ch = }^Ofc+*fc; tgq>h = tft/ah; Т ап — lim — I / (/) cos юд tdt; т-*°° T J о т bn~ lim — I f (/) sin сод tdt. T~^OD 1 J 0 Для сплошного спектра его плотность (по амплитуде) S (ю) = J f (/) exp (— itirf) dt, а сигнал имеет вид f(t) —------ I 5 (ю) exp (ico/) da>. 2л J Для процессов, ограниченных во времени, введено понятие текущего спектра to S(o (ю) =J f (t) exp ( —i<o/) dt о и мгновенного1 to •$мгн (to) = J f (t) h (t0—t) exp ( —itoO dt, ------------- OD Рис. 3.4 Огибающая спектрального уровня В и третьоктавных уровней Lj у3 окш речевого шума 1 По терминологии, принятой за грани- цей, он иногда называется кратковременным спектром. где h (4 — 0 — весовая функция или окно, предствляющее импульсный отклик прото- типа полосового фильтра. Для резонансного контура h (t0 — t) = exp [—Дю (t0 — /)], для фильтра с П-образной характеристикой h (to — t) = (sin x)/x, где x = Дю (t0 — t); Дю — полоса пропускания фильтра на уров- не — 3 дБ В практике часто приходится иметь дело с энергетическим спектром сигнала. Под ним подразумевается огибающая квадратичных значений амплитуд частотных составляющие сигнала (для дискретных спектров) илй плотности спектра квадрата амплитуд' Аг(х) (для сплошных спектров). Последняя будет представлять собой спектральную плот- ность по интенсивности / (ю) = k Л2 *(ю), т. е. спектральной плотностью называют интен- сивность звука в полосе частот шириной в единицу частоты. В акустике эту полоску берут равой 1 Гц, т. е. спектральная плотность 1 = /д^/Д/, где /д/ — интенсивность, из- меренная в узкой полоске частот Д/. Измере- ния для этой цели приводят с помощью узко- полосных 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 (Jho) — 10 1g J - 120, где /0 = Ю-12 Вт/м2, т. е. то же условное (нормиро- ванное) значение, что и для оценки уровня интенсивности, поэтому размерность JllB 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- но определяют уровни в этих полосах. В этом случае спектральный уровень В — = 10 1g (/окт /(А/окт /о)) = 20 1g (рокт/ро) — — 10 1g Д/окт. (Ро = 2-105 Па), а уровень в октавной полосе LOKT = 10 lg (lOKT/lo) = = 20 lg(pOItT/po)• где Д/Окт — ширина соот- ветствующей октавной полосы. Вычитая первое из второго, имеем БОкт В = 10 1g Д/Окт. На рис. 3.4 приведены огибающие для спект- рального уровня и третьоктавных уровней речевого шума. У каждого источника звука, даже того же самого типа, спектры имеют индивидуаль- ные черты, что придает звучанию этих источ- ников, как говорят, характерную окраску. Эта окраска называется тембром. Существуют понятия тембра скрипки, тромбона, органа ит. п., а также спектра голоса: звонкий, когда подчеркнуты высокочастотные составляю- щие; глухой, когда они подавлены по отноше- нию к среднему голосу. Чаще всего необходи- мо знать средний спектр для однородных источников звука и усреднений спектр за длительный интервал времени (15 с для информационных сигналов и 1 мин — для 40
музыкальных) Усредненный спектр можёт быть только-сплошным и достаточно сглажен- ным по форме. Такие сплошные спектры хорошо характеризуются зависимостью спек- тральной плотности от частоты невероят- ностью появления уровня в октавной полосе. На рнс. 3.5 приведены усредненные спект- ры максимальной мощности для различных значений вероятности появления заданных уровней в октавных полосах, там же приве- дены 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- ных звучаний В табл. 3.2 н 3.3 даны акустические мощ- ности в пределах полосы с максимальным уровнем. Пример. Определить, какова вероятность появления уровня речи на 12 дБ ниже пиково- го 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- дим точку, лежащую около кривой 20%. Следовательно, вероятность появление уров- ней выше — 12 дБ в этой полосе составляет 20 %. Когда спектры имеют спад в ту илн иную сторону, то нх оценивают тенденцией, т. е. средним наклоном спектральной кривой в сторону низких нли 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 нли 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 ZOItT/Z0 = = 10°’* ^окт и затем просуммировать 'все эти интенсивности, а по суммарной интенсивности для всего спектра най^и суммарный уровень = 10 1g (Zz/Z0) = = Ю 1g (2 ZOKT//0). Пример. Заданы уровни в октавных поло- сах, найти суммарный уровень = 101g J 100JBd, , fK где fK и fH — верхняя и нижняя границы частотного диапазона. Пример. Задан равномерный спектр, со- ответствующий рис. 3.8. Спектральный уро- вень равен 40 дБ, диапазон—20 ... 15 000 Гц. Соответственно имеем fB Lx=10 1g [ 100J/3ztf = fu = 101g [10* (15 000 — 20)1 = 81,9 дБ, в то время как для составляющей около 100 Гц уровень в частотной группе (см. рис. 2.3) равен Lrp = В + 10 Afrp = 40+20 = 60 дБ, а в самой верхней группе (12 000—15 500 Гц) он составляет (см. рис. 2.3) LTp = 40 + 35 = = 75 дБ. Суммарный уровень можно приб- лиженно найти путем деления частотного диапазона на п полосок Д/ю в пределах каж- дой из которых спектральный уровень Вь примерно постоянен. Суммарный уровень Г£ ~ 10 ig V 10°'1BftAfh. k= I Пример. В табл. 3.4 приведены спектраль- ные 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- октавных полосах (графа 3 в табл. 3.4). Пере- водя их в интенсивности, получаем интенсив- ности в относительных единицах для каждой полосы частот (графа 4 в табл. 3.4). Напри- мер, для пятой строки имеем: спектральный уровень Въ — 43,5 дБ, ширина полосы рав- на 17,6 дБ, уровень в третьоктавной полосе Lt, — 63,1, откуда интенсивность в этой полосе It— 2,06-10* отн. ед. Проделывая эти расчеты для всех полос, суммируем ин- тенсивности в полосах, получаем общую интенсивность 7общ = 1,305-107 отн. ед. Следовательно, общий уровень будет Z-обш = = 10 1g (1,305-107) = 71,2 дБ. Полоса, Гц Уровень, дБ Относительная ин- тенсивность (Zokt/Zo)10« 100 .. 200 60 1 200.. 400 64 2.51 400 .800 66 3,98 800 1600 66 3,98 1600...3200 63 2 3200.. 6400 60 Суммарный уровень ='Ц) 1g (14,5х X 10е)) = 71,6 дБ. Этот уровень можно найти с помощью программируемого) 1^Йкрокальку- лятора, как показано в 1.4.^ Если заданы спектральные уровни сплош- ного спектра, то точное значение суммар- ного уровня для всего спектра определится интегралом Частотный диапазон акустического сиг- нала определяют из кривой спектральных уровней Но так как нет четких определе- ний границы частотного диапазона, то уто определение можно сделать только прибли- женно иа слух. Считают такими границами заметность ограничения диапазона для 75 % слушателей^ На рис. 3.7 показаны частотные 41
Рнс. 3.5. Усредненные спектры максимальной и средней мощности: д__печи на расстоянии 30 см от рта; б — фортепиано, вокальной и камерной музыки; в лег- кой н эстрадной музыки; г — симфонической музыки (параметр кривых — вероятность непревы- шения данного уровня; штриховой линией дана кривая средней мощности; нулевой уровень по осн ординат соответствует общей максимальной мощности сип.ала) В,дБ Рнс. 3.6. Усредненная спектральная плотность средней мощности: о-печи- б - фортепиано, вокальной и камерной музыки; в - легкой и эстрадной музыки; г ’ ’ симфонической музыки 42
Звон ключей Малый fa рас Скрипка бас-труба Сопрано-сап Пикколо Муж голос жен. голос Qi С 31,3 62,5 250 /000 4000 Г,Гц Рнс. 3.7. Частотные диапазоны первичных источников звука Таблица 3.4. Данные примера расчета суммарного уровня Средняя час- тота, Гц Л • X ж о си 2 о.£ х Е з иэ СхЯ Ширина по- лосы, дБ Уровень для полосы, дБ Интенсивность полосы, отн. ед. 100 28,5 13,6 42,1 16 300 125 34,5 14,6 49,1 81 000 160 40,0 15 6 55,6 365 000 200 43,5 16,6 60,1 1 030 000 250 45.5 17.6 63,1 2 060 090 315 45,5 18,6 63,6 2 310 000 400 43,5 19,6 63,1 2 060 000 500 41,5 20,6 62,1 1 635 000 630 39,0 21,6 60.6 1 160 900 «00 36,0 22,6 58,6 728 000 1000 33,0 23,6 56,6 457 000 1250 30,5 24,6 55,1 325 000 1600 28,0 25.6 53,6 231 000 2000 25.5 26,6 52,1 163 000 2500 23,5 27,6 51,1 139 000 3150 21,5 28,6 50,1 103 000 4000 19,5 29,6 49,1 82 000 5000 17,0 30,6 47,6 58 000 6300 14,0 31,6 45,6 36 000 8000 11,0 32,6 43.6 23 000 2=13 054 100 В,дб /00 300 1000 300010000 200500 20005000 f, Гц Рис. 3.8. Спектральные уровни некоторых шу- мов: / — белого; 2 — розового; 3 — речевого. На графике показан суммарный уровень для каждого ти па шума диапазоны для ряда первичных источников звука» в том числе и для речи. Как видим, весь оркестр имеет широко- полосный спектр. Флейта-пикколо и труба имеют соответственно высокочастотный и низкочастотный спектры. Акустические шумы могут рассматри- ваться и как акустические сигналы, и как помехи. На рис. 3.8 приведены три типа шу- мов: белые, розовые и речевые. Термин «бе- лые» относится к шумам, имеющим одинако- вую спектральную плотность во всем частот- ном 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 нз таких характеристик является уровнеграмма сигнала. Она дает возможность определения резких переходов интенсивно- сти, и, следовательно, по ней можно предъ- явить требование в отношении постоянных времени для трактов передачи сигнала. Другой важной временной характеристи- кой 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 н отраженный сигналы), то средняя мощность суммарного сигнала за время Т может быть определена следующим образом: Рер(0=4^ J IMS) bf (5-T)]2dg = /— Г =/>, р2;2г(т), где J (£)<£. /—г 1 = ~ У Г а—г) 1~~Т являются средними мощностями складываю- щихся сигналов, а t '(т)=у- [ f(£)HS-T)dE- т функцией автокорреляции сигнала f (/). Все акустические сигналы делят на одно- родные стационарные и неоднородные. Если при увеличении интервалы усреднения, сред 43
Кие Значения мощности каждого на сигналов стремятся к одному и тому же предельному значению, не зависящему от времени I, то такие сигналы называют однородными. В этом случае функция корреляции также стремится к некоторому пределу, зависяще- му от времени запаздывания. Минимальное время усреднения Т = То, необходимое для достижения этих предельных значений прн любой величине времени запаздывания, называют пределом однородности сигнала. Для однородных сигналов прн Т Тп Т/2 Р, = Рг "у j >1 — Т/2 Т/2 '•(*)= у J tjdl — Т/2 прн произвольности выбора интервала Т во времени. Если прн увеличении интервала усредне- ния величины мощности и функции корреля- ции не имеют предельных значений, а непре- рывно изменяются со временем, то такие сигналы называют неоднородными. Для речевого сигнала однородность полу- чается в интервале 3 ... 5 с, но для большей точности этот интервал берут равным 15 с. Для музыкальных программ интервал одно- родности доходит до 1 мин. Для оценки когерентности сигналов поль- зуются нормированной функцией корреляции гк= г (х)/г (0), где г (0) — функция корреля- ции прн 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- налов Р£ = 2Р1. 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- ны и размеров отверстия рта, так и размеры головы сравнительно с той же длиной волны. Низкие частоты излучаются более равномер- но, высокие имеют направленное излучение. В табл. 3.5 приведены уровни интенсивности на расстоянии 1 м от рта под разными азимутами н углами высоты. Даны как сум- марные значения уровня для всего диапазона частот, так и для октавных полос в диапа- зоне 62,5 ... 12 000 Гц. Цифры в этой таблице представляют собой разности уровней интенсивности в децибелах в заданной точке с координатами г, в н в точке, определяемой координатами Таблица 3.5. Частотный анализ и пространственное распределение интенсивности речи вокруг головы г= 100 см 0 0 —9,7 - 10,2 — 11,1 —8,9 — 10,5 —8,9 —11,21—9,5 —11,2 —9,6 — 12,2 —9,7 —9,7 45 0 —9,8 — 11,2 — 10,3 — 11,3 —9.1 —9,9 — 12,81—13,7 —12.3 -13,1 — 12,8 — 11,9 — 10,3 90 0 —10,5 —8,7 — 13,0 — 12,4 —11,5 — 10,6 — 12,8—15,7 -15,7 —16.5 —14,9 — 15,9 —15,2 1.35 0 — 13,8 —8,4 — 10,8 — 15,0 — 18.1 — 16,4 —21,0—20,7 —21.4 —23,1 —25,0 —23,8 —26,2 0 +45 — 10,1 — 10,0 — 12,2 — 10,5 — 12.4 —12,0 —8,5 —11,6 — 10.5 — 10,8 — 15,1 — 16,6 —10,0 45 +45 10,7 — 10,5 — 10,6 — 11,0 — 12,2 —12,1 —9,0 —11,9 — 11,6 — 11,5 —15,3 —14,6 —11,5 90 -1-45 —12,1 — 10,0 — 13,4 — 12,0 —12,6 13,0 —14,9—15,5 — 12,3 — 17,2 18,4 —18,3 —15,6 135 +45 — 12,4 —8,7 — 11.6 — 14,3 —12,3 — 13,8 — 17,8 —20,9 — 18,2 —21,0 —24,6 —25,3 —23,6 180 +45 —12,9 —7,1 -11,6 — 13,0 — 12,2 — 13,8 — 16,8—17,2 — 16,0 -17,6 —23,7 —25,0 —22,3 0 —45 —7.8 —10,8 — 11,8 —9,6 —5,3 -6.1 — 12,3—13,6 — 12,7 — 12,0 — 12,6 —6,6 —6,1 45 —45 -9,8 — 11,4 — 11,5 — 10,8 -8,6 —9,1 —10,1 —14,5 — 14,8 — 13,1 —15,3 —8,9 —6,1 90 —45 — 11,3 — 11.1 — 13,3 — 12,8 —9,7 —10,9 — 15,9—18,0 — 19,6 — 19,6 -22,3 — 19.9 —19,5 135 —45 — 13,8 —8,4 —11,9 — 16,9 — 15,5 — 15,4 — 16,9—21,6 —22,9 —23,9 —29,7 —28.8 —26,7 180 45 -15,2 —7,1 —10,8 — 15.0 — 19,8 — 16,4 —22,5 —25,6 —29,3 —30,9 —33,7 —31,2 —27,2 44
Рис. 3.9. К пояснению способа отсчета коорди- нат и углов 0,3 м, 0°, 0е для той же полосы частот. Способ отсчета координат показан на рис. 3 9. Пример. Определить относительный уро- вень речи во всем диапазоне и в полосе 250 ... 500 Гц в точке, расположенной впереди (0°) 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. Общин 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 £=20 1g (0,306/2-10~Б) = 83,7. Поэтому уровень в полосе будет Ln = 83,7 — 1,9 = = 80,8 дБ, а общий уровень интенсивности ££ = 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. Прн нормальном темпе речи паузы появляются между отрывками фраз, так как при этом слова произносятся слитно (хотя слух, как правило, восприни- мает слова по отдельности). При замедлен- ном темпе речи, например прн диктовке, паузы могут делаться между словами н 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- ков речи (своего рода устный почерк). Про- изношение звуков речи зависит от ударения, соседних звуков и т. п. Но прн всем много- образии 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- износит. Фонема по отношению к звуку речи играет ту же роль, что н образцовая буква (например, курсивная) по отношению к ее рукописной форме в конкретном напнеаннн. В русском языке насчитывается 42 основ- ные и 3 неопределенные фонемы. Звуки речи делятся на звонкие и глухие. Звонкие звуки образуются с участием голосо- вых связок, в этом случае находящихся в напряженном состоянии. Под напором воз- духа, идущего нз легких, они периодически раздвигаются, в результате чего создается прерывистый поток воздуха. Импульсы по- тока воздуха, создаваемые голосовыми связка- ми, с достаточной точностью могут считаться перноднческнмн. Соответствующий период повторения импульсов называют периодом основного тона голоса TQ. Обратную вели- чину То, т. е. 1/Т0, называют частотой основ- ного тона. Если связки тонкие н сильно напря- жены, то период получается коротким н часто- та основного тона высокой; для толстых, слабо напряженных связок частота основ- ного тона получается низкой. Частота основ- ного тона для всех голосов лежит в пределах 70 .. 450 Гц. При произнесении речи час- тота основного тона непрерывно изменяется в соответствии с ударением н подчеркиванием звуков н слов, а также для проявления эмо- ций (вопрос, восклицание, удивление н т. д ). Изменение частоты основного тона называет- ся 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 н тембр голоса служат для опознавания человека, и степень достоверности опознавания выше, чем по от- печаткам пальцев. Это свойство используют для аппаратуры, срабатывающей только от определенных голосов.) Импульсы основного тона имеют пилообразную форму, и поэтому при нх периодическом повторении получается дискретный спектр с большим числом гармо- ник (до 40), частоты которых кратны частоте основного тона Огибающая спектра основно- го тона имеет спад в сторону высоких частот с крутизной около 6 дБ/окт, поэтому для мужского голоса уровень составляющих око- ло 3000 Гц ниже их уровня около 100 Гц примерно 30 дБ. Прн произнесении глухих звуков связки находятся в расслабленном состоянии н поток воздуха нз легких свободно проходит в поло- сть рта. Встречая на своем пути различные 45
Преграды в виде языка, зубов, губ, он образу- ет завихрения, создающие шум со сплош- ным спектром. Согласные по способу образования делят- ся 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) н аффрикаты (ц, ч — комбинация глухих взрывных н щелевых). Гласных фонем 6: а, о, у, э, и, ы (гласные е, я, е, ю — составные из й нлн мягкого знака н гласных э, а, о, у). По месту образования фонемы делятся на губные, зубные, небные, гортанные, перед- ние н задние. Прн пронзнесенин звуков речи язык, губы, зубы, нижняя челюсть, голосовые связки должны находиться для каждой фоне- мы в строго определенном положении или движении Эти движения ^называют артику- ляцией органов речи. Прн этом в речеобразу- ющем тракте создаются резонансные полости, определенные для данной фонемы, а для слитного звучания фонем в речи — н опре- деленные переходы от одной формы тракта к другой. Прн произнесении звуков речи через речевой тракт проходят нлн тональный импульсный сигнал, нлн шумовой, или тот н другой вместе. Речевой тракт представляет собой сложный акустический фильтр с рядом резонансов, создаваемых полостями рта, носа н носоглот- ки, т. е. с помощью артикуляционных органов речи. Вследствие этого равномерный тональ- ный или шумовой спектр превращается в спектр с рядом максимумов и минимумов. Максимумы спектра называют формантами, а нулевые провалы — антнформантами. Для каждой фонемы огибающая спектра имеет индивидуальную и вполне определенную форму (рнс .3 10, на котором приведены спект- ральные огибающие для звуков в, г, м). При произнесении речи спектр ее непрерывно изменяется и образуются формантные пере- ходы. Частотный диапазон речи находится В,Аб 20 10'--1—1—1—1—1—1---1---1--1—J—।_____ 200 300600 600 то 2000 3000 5000 f Ги 500 800 1600 6000 600b Рис. 3 10 Огибающие спектра для ряда зву- ков речи: I — в; 2 — г; .1 — м в пределах 70 .. 7000 Гц. Форма усредненного спектра речи дана на рис. 3.4. Звонкие звуки речи, особенно гласные, имеют высокий уровень интенсивности, глу- хне — самый низкий. Прн пронзнесенин ре- чи громкость ее непрерывно изменяется. Особенно резко она изменяется прн произ- несении взрывных звуков речи. Динамичес- кий диапазон уровней речи находится в пре- делах 35 . 45 дБ. Гласные звуки речи име- ют 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- мацию о смысле речи, а глухне согласные наиболее информативны (например, в слове «посылка» последовательность «о, ы, а» ни- чего не говорит, а «п, с, лк» дает почти одно- значный ответ о смысле. Поэтому разбор- чивость речи снижается прн действия 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- собность тракта. Для телеграфного сообще- ния достаточна пропускная способность не более 100 бнт/с, а для речевого—"около 100 000 бнт/с (полоса равна 7000 Гц, дина- мический диапазон 42 дБ, т. е. требуется семизначный код. откуда имеем 2-7OOO-7 = = 98 000 бнт/с), т. е. в 100 раз большая. Образование звуков речи происходит путем подачи команд к мускулам артику- ляционных органов речи от речевого центра мозга. Общий поток сообщений от него сос- тавляет в среднем не более 100 бит/с. Вся остальная информация в речевом сигнале называется сопутствующей. Речевой сигнал представляет собой сво- его рода модулированную несущую. Его спектр р (to) Е (со) Г((о), где £ (<и)—спектр генераторной функции, т. е импульсов ос- новного тона или шума; F (и)—фильтро- вая функция речевого тракта — модулирую- щая кривая. Эта модуляция особая — спект- ральная. Прн ней несущая имеет широко- полосный спектр, а в результате модуляции изменяется соотношение между частотными составляющими, т. е. изменяется форма оги- бающей спектра. Почти вся информация о звуках речи заключена в спектральной огибающей речи и ее временном изменении1 (частично информация о звуках речи заклю- чена в переходах от тонального спектра к шумовому и обратно — по этим переходам узнают о смене звонких звуков на глухне и обратно). Все эти изменения происходят медленно (в темпе речи). Установлено, что предложенной проф. распознавание звуков скоростью изменения 1 По теории, А. А Пироговым, речи определяется спектральных уровней (фонетическими функ- циями). 46
избыточность самого речевого сигнала лишь немного превышает избыточность телеграф- ного сигнала с таким же сообщением: рече- вой сигнал отличается от телеграфного тем, что в последнем нет ннформацнн об эмоциях н лнчностн говорящего, а также исключена вся сопутствующая информация, имеющая- ся в речи1. Для передачи смысла речи достаточно передавать сведения о форме огибающей спектра речи н ее временном нзмененнн в темпе смены звуков речи, а также измене- ние основного тона речи и переходов тон — шум. 3.7. ГОРТАНЬ КАК ИСТОЧНИК ЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИИ Для получения шумозащнщенного рече- вого сигнала используют гортань как источ- ник речевых колебаний. Эти колебания соз- даются прн произнесении звуков речи н явля- ются чисто механическими колебаниями тканей, прилегающих к гортани. Наиболее интенсивные колебания получаются на низ- ких частотах. Скорость колебании этих тка- ней уменьшается к высоким частотам по квадратичному закону. Прн увеличении час- £,аБ Рнс. 3.11. Частотная зависимость колебатель- ной скорости гортани для постоянного звуко- вого давления создаваемого ртом на рассто- янии 1 м от него тоты вдвое скорость колебаний уменьшается вчетверо, что соответствует снижению уровня на 12 дБ/окт (см. § 1.4). На рнс. 3.11 приведе- на экспериментальная частотная зависимо- сть уровня скорости колебаний тканей гор- тани для постоянного уровня звукового дав- ления, создаваемого прн этом на расстоянии 1 м от рта. На этом графике за нулевое зна- м ченне уровня взята величина 1 , РАЗДЕЛ 4 ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И СИСТЕМЫ 4.1. ВВЕДЕНИЕ Электроакустическая аппаратура и акус- тические устройства состоят нз электричес- ких, механических н акустических элемен- тов, объединенных в системы. К электрическим элементам относятся нндуктнвностн, емкости, активные сопротив- ления, трансформаторы. Как правило, они представляют собой простую электрическую систему — электрический контур. Конструк- тивно такой контур имеет вид: катушки, находящейся в магнитном поле (электроди- намические системы) нлн на сердечнике нз магнитного материала (электромагнитные системы); конденсатора нлн пъезоэлемента (электростатические системы); угольного порошка, расположенного между электри- ческими контактами (угольные системы). Трансформаторы применяются в тех случаях, когда надо согласовать сопротивления дан- ной системы с внешней электрической цепью. Для электродинамических систем индуктив- ное сопротивление обычно (кроме самых высоких частот) значительно меньше актив- ного, для электромагнитных систем, наоборот индуктивное сопротивление значительно пре- 1 Например, информация о мгновенных значениях сигнала — фазовая информация. обладает над активным (кроме самых низких частот). для электростатических систем активная составляющая, как правило, очень мала. К механическим н акустическим элемен- там относятся массы, упругости (гибкости), сопротивления потерь (например, на тренне) н своего рода механоакустнческие трансфор- маторы. Эти элементы комбинируют в виде различного рода цепочек и узлов. Механичес- кие н акустические системы элементов быва- ют как с сосредоточенными, так н с распре- деленными параметрами. В большинстве случаев акустические и механические систе- мы (в зависимости от участка звукового диа- пазона частот) могут рассматриваться как с сосредоточенными, так и с распределенными параметрами. Например, на низких частотах все механические системы могут рассматри- ваться как системы.с сосредоточенными пара- метрами, а на высоких — как с распределен- ными параметрами. Большинство акустичес- ких систем представляют собой системы с распределенными параметрами, и только на низких частотах с некоторым приближением нх можно рассматривать как системы с сосре- доточенными параметрами. Конструктивно механические системы представляют собой различной формы диа- фрагмы н мембраны. Идеальная диафрагма 47
может1 колебаться только как целое, т. е. представляет собой систему с сосредоточен- ными 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- ляет собой абсолютно гибкую пластину, упругость которой придается только ее на- тяжением по периметру. Мембрана представ- ляет собой систему с распределенными пара- метрами. В пьезоаппаратуре механическая система иногда имеет вид пластинки, зажатой по одному краю. Акустические системы конструктивно пред- ставляют собой различного рода трубки, закрытые с одного конца или открытые с обоих концов, различного вида объемы, резонаторы, комбинации трубок и объемов, помещение, открытое пространство. Электрнческне, механические и акусти- ческие системы в электроакустической аппа- ратуре связывают между собой с помощью электромеханических и механоакустнческих преобразователей. Под последними подра- зумевают устройства, позволяющие преобра- зовать колебания одного вида энергии в дру- гой, например, акустические колебания в электрнческне нлн электрические — в акус- тические. В качестве элементов связи, напри- мер в электромеханических преобразованиях, используют магнитные нлн электрические поля. 4.2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ АНАЛОГИ Почти вся электроакустическая аппара- тура имеет в своем составе механическую систему как посредник между электричес- кой и акустической системами. Для возмож- ности нспользовання 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 U, =L — L dt Индуктивность L F dv Fm=mTt Масса т i] Uc=q[C Емкость С EK=sx=x/cM Гибкость см Упругость s=l/sM & UR=iR Активное сопротивление R Fr=rM V Коэффициент потерь гм [ Полное электрическое сопротивление z—U/i Полное механическое сопротивление zK=F)v 7 Энергия магнитного поля WM = Li2/2 Кинетическая энергия Т=mv2/2 Энергия электрического поля We = CU2/2 Потенциальная энергия Л = с„Е2/2 48
Таблица 4.2. Электромеханические аналоги соединения элементов Механический элемент Электрический аналог Формула четырехполюсников при анализе процессов, происходящих в сложных механических системах, разработаны методы электромеха ническнх аналогий. Они позволяют сводить механические системы к электрическим. Наи- более распространенный метод электромеха- нических аналогий основан на аналогиях, приведенных в табл. 4.1. В табл. 4.2 приведе- ны аналогии соединении механических и электрических элементов. Аналогом последо- вательного [а) н в)] соединения механических элементов, называемого цепочкой, являет- ся параллельное соединение электрических, а аналогом параллельного соединения [б) н г)] механических элементов (узла) является последовательное соединение электрических. Для механической колебательной систе- мы с параллельным соединением механичес- ких элементов уравнение вынужденных колебаний имеет вид m<Px]dt2 rKdxldt + х/см = F, где F — сила, приложенная к узлу механи- ческих элементов; т— масса колебательной системы; гм— активное сопротивление ее; см — гибкость системы. Это уравнение ана- логично уравнению для контура с последо- вательным соединением электрических элементов (табл. 4.3, рнс. а), т. е. узел меха- нических сопротивлений аналогичен контуру из электрических сопротивлений. Механи- ческое сопротивление для такого узла 1 гм — rM + i<ow 4- -----; 1СОСМ 49
Таблица 4.3. Электрические аналоги механических сметем t'a/t'i — Fy/ F2 =pS1/pSi— Si/Ss am— 1/(ь>см) tg л|) =------------, rM где |ZM| — модуль сопротивления; Ар — ero фаза. На рис, 4.1 показана зависимость скорос- ти колебании v от частоты f прн постоянстве амплитуд приложенной силы для рассматри- ваемой механической системы. Резонансная частота для механической системы w0 = 1 / V"icM = Vs/mi —ш0/2л (s= 1/См) и добротность D = f0/Af = — Лм ^вол где ,\f — ширина полосы пропускания сис- темы на уровне —3 дБ; 7„ол = Vw/cm — волновое сопротивление системы. На частотах выше резонансной (ш > ы0) механическое сопротивление определяется инерционным сопротивлением, т. е. zM = = ia>m, если только активное сопротивление не очень велико. На частотах ниже резонанс- ной (<о < соо) механическое сопротивление определяется гибкостью, т. e. zM= l/(i<ocM), с той же оговоркой, что и в предыдущем слу- чае. Механическая система в виде цепочки со- противлений, состоящей нз резинкн, на кото- рой подвешен грузик (так называемый «мяч раскидан»), имеет аналог в виде электриче- ской системы с параллельным соединением элементов (см. табл. 4.3, рис. б). Далее аналогом рычага первого рода явля- ется трансформатор, причем отношение плеч рычага Z>/Za соответствует коэффициенту транс- формации п2!пг (см. табл 4.3, рис. в), а рычагу второго рода — автотрансформатор. Одним из видов механического трансфор- матора с акустической связью является соеди- нение двух поршневых диафрагм с помошью двух трубок небольших (по сравнению с дли- ной волны) диаметра и длины (см. табл. 4.3, рнс. г). Давление в обеих трубках по закону 50
Паскаля одинаково, поэтому отношение сил (прн условии несживаемости воздуха) обрат- но пропорционально отношению скоростей в трубках: F1 Р$1 1>г F а pS2 Vj а коэффициент трансформации равен отноше- нию сечений трубок, т. е. njni = S2/S]. Та- кой трансформатор применяется в электроаку- стической аппаратуре для преобразования со- противлений в целях их согласования. Приведем параметры некоторых механиче- ских систем. Мембрана, натянутая по периметру, имеет основную резонансную частоту 0,38 , Г~ '-—у -й- где т — натяжение мембраны; Я — толщина ее; г — радиус; р — плотность материала. Для расчета резонансной частоты более высоких порядков т и п (где т — число узловых диа- метров; л —число узловых окружностей; п= 1 соответствует окружности по периметру мембраны) полученные из формулы величины необходимо умножать на следующие коэффи- циенты k: т . п . k . 0 1 2 I 1 1 1,0 1.6 2,1 0 1 2 2 2,3 2,9 2 0 2 3 3,5 3.6 1 2 3 3 4,2 4,8 Предельное значение основной резонанс- ной частоты определяется пределом текучести материала мембраны (для алюминия допусти- мое натяжение ттах = 7-10’ Л Н/м, для дюра- люминия ттах = 15-10’ Я Н/м). Пример. Определить предельную основ ную резонансную частоту для дюралюминие- вой мембраны (р = 2,5-103 кг/м3) толщиной 10 мкм (10-s м) и радиусом 10-2 м. Допус- тимое натяжение ттах=15-10’-10-®= 1500 Н/м- Предельная резонансная частота 0,38 ^опр= lf)_2 1500 2,51 • 103-10“® = 9290 Гц. В диапазоне частот до 20 кГц эта мембрана будет иметь еще два резонанса: на частотах /1пр= 1,6-9290 = 14 864 Гц н /2пр = 2,1х Х9290 Гц, т. е. для одного и двух узловых диаметров. Эквивалентная масса мембраны в диапа- зоне до основного резонанса тЭВв = 0,3 т, где т — фактическая масса мембраны. Для данного примера т = 2,51 • 103 • 10—5 лХ X(2-10—2)2/4 = 7,89-10-’ кг, а эквивалент- ная масса тВКв = 0,3-7,89-10-®= 2,37х X 10—’ кг. Эквивалентная упругость определяется из величин резонансной частоты н эквивалентной массы, s3Ke = (ogm9KB или s3KB — Т. Для Рис. 4.1. Зависимость скорости колебаний от частоты для механической колебательной си- стемы данного примера эквивалентная упругость S3kb = 4л2 92902 2,37 10-® = 8,07 - 103 Н/м или s3KB = 5,4-1,5-103 = 8,07-103 Н/м. Круглая диафрагма с центральной жест- кой частью имеет упругость s = 3,14 —---------!---Я В3 , 1—о2 (а—I)3 где Е v <т — модуль упругости и коэффициент Пуассона для материала воротника диафраг- мы; Я — толщина воротника; г — радиус диа- фрагмы; Ь—радиус ее жесткой части: а — = r!b\ Р = h/b. Пример. Найти упругость алюминиевой диафрагмы с радиусом г = 3 см, радиусом жесткой части b — 2 см, толщиной воротника Я = 0,1 мм. Для алюминия Е = 7- 10” Н/м2; о = 0,33. Подставляя эти данные в формулу, получаем упругость 7-10” (3/24-1) s=3,14 ---------—----------2х (1 -0,332) (3/2—I)3 / 10 4 \3 Х10- 2 ----- = 1,23-104 Н/м. \ 2-Ю-2 / Л7 20 3000 ВО80100 200 000 600 №002000 0000 В,Гц 20 00 ВО80120 200 000 800120020004000 8000 Рнс. 4.2. Поправочный коэффициент а в зави симостн от частоты н теплопроводности сте- нок (верхний ряд абсцисс для теплоизолиро- ванных стенок, ₽=1: нижннн — для тепло- проводных стенок. Р = 2; параметр кривых — радиус трубки) 51
Следовательно, гибкость см = ls=0,813x ХЮ-4 м/Н. Эквивалентная масса такой диафрагмы m3ItB = '”» + О,3тв, где тж и тв — массы жесткой части н воротника диафрагмы. Если жесткая часть имеет толщину 1 мм, то ее масса тж = 2,51 • 102 3-10—8 * л-22-10 s * *~4 = 3,15-10~8 кг Эквивалентная масса воротника н диафраг- мы соответственно О,3тв = 0,3-2,51 • 103-10-4 л (З2 — 22) 10-4 = 0,12 • 10-3 кг, тэкв = = (3,15 10,12)-10 3 = 3,27-10~3 кг Резонансная частота диафрагмы Для рассматриваемого случая /л 1,23-Ю4 3,27-10-3 = 309 Гц. Круглая, зажатая по периметру, пластинка имеет упругость н основную резонансную час- тоту соответственно: , h , Г Е ^°’47-|/ где Е на — модуль упругости н коэффициент Пуассона для материала пластинки; h — толщина пластинки и т — радиус ее; р — плотность материала. Эквивалентная масса пластинки тЭ11в= = 0,151m, где m — фактическая масса плас- тинки. Для определения первых четырех резонанс- ных частот сложного колебания полученные значения основной частоты необходимо умно- жить на следующие коэффициенты- 1 . 6, 15, 28 соответственно числу узловых окружностей; 1. 2, 3, 4. Пример. Найтн 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 о = 0,28 н плотность р = 7,8 кг/м3 Основная резонансная частота 2 • 10-4 / 2^0” Е -0,47-----------1 /---------------------= '° (2-10 2)2 к 7,8-103 (1 —0,282) = 1240 Гц Упругость 2-1011 (2-10-4)3 s = 4,19--------------------— = (1—0,282) (2-10 2)2 = 18,2-103 Н/м. Эквивалентная масса такв = 0,151-7,8 X Х103-2-10~4 л-(2-10-2)2 = 3-10-4 кг. Круглая, запертая по периметру, пластинка имеет упругость н резонансную частоту со- ответственно: £(!+«) Л8 s=4,19----------------; (1—а2) (34-а) г2 Л ,f0 = 0,225-- г2 Е р(1-а)2 Эквивалентная масса тэкв = 0,28 т. Для пластинки нз предыдущего примера упругость будет меньше в (3-Ьа)/(1 + а)= = 3,28/1,28 раза, а резонансная частота в (0,47/0,225) раз меньше, т. е. f0 = 595 Гц; s = 7,10-103Н/м Эквивалентная масса тэкв= = 0,28-19,9-10~4 = 5,57-10-4 кг, т.е в 1,85 раза больше, чем для зажатой пластинки. 4.3. ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ АНАЛОГИИ Для анализа акустических систем разра- ботан метод электроакустических аналогий. По этому методу давление р считают аналогом напряжения, скорость колебаний v — анало- гом плотности тока, а объемную скорость коле- баний Ua = vS (где S — поперечное сечение звукопровода) — аналогом тока. Для трубки длиной I акустическая масса ma=m/S2= — pl/S и акустическое активное сопротивление rB = rM/S2. Для объема V акустическая гиб- кость са = cMS2 = V/(ypa.c). Методом этих аналогий удобно пользоваться при рассмотре- нии устройств, состоящих только из акустиче- ских 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 га=гмя52м, U = vSM, где SM — площадь диафрагмы нлн мембраны. Прн рас- смотрении этих систем можно пользоваться для каждой системы своими аналогиями, но прн этом в аналоговой схеме между механической н акустической системами приходится вклю- чать трансформатор. Число витков его с ме- ханической стороны численно равно площади диафрагмы, а с акустической — равно едини- це. Но все же для рассмотрения этих систем удобнее всего единая система электромехани- ческих аналогий. При рассмотрении чисто аку- стических 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- том трансформации Sh/Sh-н, где S/, и Sh+i — сечення звукопровода в смежных участках его, или все акустические элементы проводить к одному поперечному сечению, например вход- ному отверстию So. Это приведение делается по формулам: механические массы т = maS2, 52
Таблица 4.4. Акустические элементы и системы Описание Чертеж а) замкнутый объем V с гор- лом площадью $=лг2 без уче- та сопротивления излучения 'а) Li я б) слой воздуха между двумя параллельными дисками пло- щадью S Один диск колеблется по своей оси под действием силы F. Ра- диальное движение воздуха отсутствует. Толщина слоя rfXmln 1 * -ч 6) 1 в) круглое отверстие радиуса г (в бесконечно тонкой стене), излучающее в одну сторону, У////77//7///77/77777/ г) п круглых отверстий, каж- дое площадью S=nr2 в тон- кой перегородке бесконечных размеров, если объем за пере- городкой, приходящейся на одно отверстие, Р1>Х2)ах г/4л V^Fv '7/у)//)у//777777/ з;^о-б-о^> ( О О о о о 1 о о о о о 1 о О О О О / к X
Аналоговая схема Входное сопротивление V о-»— F О ZBX=i/(iwcM ); см=И/(ре2 S») V О—»1 F -*-г Г тЧ гм Для жестких дисков ?BX = l/iciKM, Гм~ <» cM = d/pc2S. Для мембран с учетом радиального движения воздуха 1/гвх = 1/гм + + с; = (4 ,7)см; гм изменяется в широких пределах F О ~ т гвх = гм+1шт, гм = лрсо2 гЦ2с, т — п-рг3/2 при r<X гм—>0 V гвх = (гм + w>tn)ln. f 5 3 /77 _<Л7 Л<Й! . экб? экбЭ экб О 1 1 Г"П J экЬ J гм и mf см. п.в.
у Продолжение табл. 4.4 Описание д) труба с поперечным сече- нием S = w2 и длиной / в тол- стой широкой стене без уче- та потерь, b — ширина стены, при ^mtn ^mai е) узкая труба длиной и сечением S = nr2, р —коэффи- циент теплопроводности стенок ж) отверстие с радиусом и в перегородке, стоящей попе- рек трубы с радиусом г2 без учета потерь на вязкость, <р — функция Фока з) механический трансформа- тор из двух трубок при учете сжимаемости воздуха Чертеж
Аналоговая схема Входное сопротивление V О- - , F 3 о Г И zBX = i(om, ги=лрг2 (Экв 1экв = 16 Г /Зя р у*»> F о 2Вх = 'м+>“т- Гм=8л|*1ра т = 4лр/г3/3, 1<р<2, а см. рис. 4.2 (а= 1 при fr2<pnp) V о-*- f : о т zBX= icom, т = 0,5я2 pr3 ф (Г1/Г»), Ф (г1/г2) = 1 — 1,47 (гж/г8)4~ +0,338 (гж/Га)3Н-0,079 (гж/г.)» ( см а < со41 a" ' n = S2/Si, Сщ1=/2/рс2 Sj, CMJ= /2/рс2 ^1’ см2= ^2 S2/pC2 S 6 = о м1 ^сд>2 = ъ —о
Продолжение табл. 4.4 Описание Чертеж и) резонатор Гельмгольца с объемом V и офлаицоваииой трубкой длиной I и сечением о = лг2 с учетом излучения горла и вязкости воздуха в ием к) двойной резонатор Гельм- гольца с объемом V и длинами трубок 1\ и 12 и сечением Si и л) длинная узкая трубка без отражения от конца м) труба длиной I и сечением S, нагруженная на конце меха- ническим сопротивлением аи сл
Аналоговая схема Входное сопротивление у т г 4 О—-С~Н- zBx = ',M + iwm+l/io)cM, rM + S2 [p<a2/4«c+(//nr2)V 2ppcoV m = pSl', /'=/4-1,48 r, cM = V/pc*S*. fo = Vs/l' V 1 2л, D = 0)m/rM, M = f0/D yi S< S? m.2= S J/S2 > ^M2 = ‘^1/^2 6 Гм1 с J ГН2 _ Vf ^2. А О» 2вх==гвол = рс S Л jjyscs V гвОЛ = РС5, ?BX = zH + ipcStg(Q)//c) = pc 5 = — , pcS4-izH tg (<o//c) при ?n = pcS zBX=pcS, при l Л гвх=(гн4-1шт)/(14- 4- 1й>см гн) । F L / _
Продолжение табл. 4 4 сл О Описание Чертеж и) то же, закрытая с одного конца (zB—>оо) ''S v — 00 n I о) то же, открытая с обоих концов (zB » 0) F S V 1 Z^O п) труба сечением Si = = лг?. нагруженная иа кон- це тонкой трубой длиной 1г и сечением 52=лг£ с нагруз- кой на конце механическим сопротивлением zB п) Z б Zl=F/l>
Аналоговая схема Входное сопротввление Для гн3>шш, гвх = гн/(/ + ico См гн); ДЛЯ 2ц<^ 1 /(ОСщ , Z gj = Zjj i (otn, m=plS, cH = ll(pc2S) V zBX=ipcSctg (co//c), с при /<Хгвх= l/icocM, см= ^/(pc2 S) U 1 .1 ?Kx = ipcS tg(coZ/c), при гвх= icom, F m=pSl', /'=/ + 1,48 г, г=Узп L* > Нагрузка иа конце широкой трубы г—\ 2j=(zH + icom) S^/Sf □О = ”F“ 16рГд Sj/ЗЛ
Окончание табл. 4.4 Описание р) отрезки широких и узких трубок, соединенные между со- бой последовательно с) труба с ответвлениями в ви- де трубок с открытыми концами т) то же, в виде резонаторов Гельмгольца Чертеж Акустический фильтр 2 i V / ^2 2 S V 'с V г
Аналоговая схема Входное сопротивление Эле» Ц хтрический т т ~см "р* филь т ~сн См >тр ^]гн m=pS2 /2, cM = V!/pc! S|, (Drp^ScJ/ Vi =2(Oq, y = Arth[) 1—4a)2/a)2 / (1- -2w?/<i)2)] w см см см II.- II , II Я w = pS2,l2, cM= ^/pc’-S|, шгр = 0,5срГ Sj/Vj/j =0,5<oo, V = Arch [cos (w/j/c) 4- + (cS2/2mS1 12) sin (w^/c)] ° * N Т II 1 ПТ" F Хт Хт Хт F о Электрический полосовой фильтр Т Т 1
Рнс. 4.3. Механоэлектрическнй четырехполюсник — генератор (а) и электромеханиче- ский четырехполюсник — двигатель (б) механические активные сопротивления гм= = raSg механические гибкости см = cM/Sg. С помощью электромеханических анало- гий рассмотрим применяемые в практике аку- стические 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, aS — площадь входного отвер- стия. 4.4. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Электромеханические преобразователи яв- ляются четырехполюсниками, у которых одна сторона механическая, а другая — электри- ческая. Большинство электромеханических преобразователей (кроме угольных, транзис- торных и ионных), используемых в электроаку- стической аппаратуре, является обратимыми и практически линейными преобразователями. Электромеханические преобразователи делят на генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую, и двигатели, преоб- разующие механическую энергию в электри- ческую. Для генератора (рис. 4.3, а) уравнения че- тырехполюсника имеют внд: fГ = ZM.Г «Г + Лд ir — — (гм.г + гвн.г) 1'г==гвх.г ьг. C/f ’ Кг Уг ~ гЭ.Г if—2Э.Г *г» а для электродвигателя (ЭД) (рис. 4.3, б); ^д = 2э.д 2д+^г Уд — (гэ.л + гвн.д) 1д-^гвх.д*д; = Кд «д—гм д va~^' гмд уд. где Кг — коэффициент электромеханической связи для генератора; Кд — коэффициент электромеханической связи для ЭД: Интересно отметить, что когда ЭД затормо- жен (т. е. когда частота вращения его равна ну- лю), то это соответствует холостой работе че- тырехполюсника, так как в этом случае сопро- тивление нагрузки zM н бесконечно большое, и ток во вторичной цепи равен нулю. А холо- стая работа двигателя соответствует его рабо- те на небольшое сопротивление нагрузки (ско- рость наибольшая, т. е. выходной ток в четы- рехполюснике максимальный). Для обра- тимых четырехполюсников J Кг I = I Кд ) = = Хсв^ гвн.г == Ксв^(га.г ' гэ.н) вноси- мое сопротивление для генератора; гнН.д — = К?в/(гм.д + гм.н) — вносимое сопротивле- ние для ЭД; <£г — ЭДС генератора; = уси- лие ЭД; гвх г — входное (механическое) со- противление генератора; zBX _д — входное Рис. 4.4. Преобразователь динами- ческого типа (катушечный вариант): а — механоэлектрическнй; б — электро- механический К — катушка с проводом длиной Z; В — индукция поля вблизи катушки 58
Рис. 4.5. Преобразователь динамического типа (ленточный вариант): а — мехаиоэлектрический; 6 — электромеханический Л — ленточка длиной /; В — индукция поля вблизи ленточки (электрическое) сопротивление ЭД; ?эм.г— собственное (механическое) сопротивление ге- нератора; гм_д — внутреннее (механическое) сопротивление ЭД; (гм.г = гм.д = гм); гэ д — собственное (электрическое) сопротив- ление ЭД; гэ.Г — внутреннее (электрическое) сопротивление генератора (гэ.д = гэг = гэ); гя н — электрическое сопротивление нагруз- ки генератора; zM H —механическое сопротив- ление нагрузки двигателя; Fr — сила, прило- женная к генератору; t>r — скорость генерато- ра; »г —ток нагрузки генератора, UT — на- пряжение на нагрузке генератора; Ua — на- пряжение, приложенное к двигателю; (д— ток в двигателе; од—скорость вращения ЭД; Fa — сила, действующая на нагрузку ЭД. Для электродинамических типов электро- акустической аппаратуры (рис. 4.4 и рис.4.5) наводимая ЭДС в проводнике, пересекающем магнитное поле, = Blv, а усилие, действую- щее на проводник с током, F = ВИ, где В — индукция поля; Z — длина проводника Коэффициент электромеханической связи для этих систем Кгв = В1. Рис. 4.7. Преобразователь пьезоэлектрическо- го типа: а — мехаиоэлектрический; б — электромеханический; I — электроды; 2 — пластинка кристалла (или кера микн) Если взять конденсатор с постоянным на- пряжением на его обкладках равным Uo и одну из его обкладок колебать с переменной скоростью v (рис. 4.6, о), то конденсатор будет создавать переменную ЭДС <£> = П0о/(|<о4), где d — расстояние между обкладками конден- сатора в отсутствие колебаний; со — частота колебаний. С другой стороны, если через этот конденсатор будет протекать переменный ток I, вызванный приложенным к нему перемен- ным напряжением <g. Uv (рис. 4.6, б), то между обкладками конденсатора будет дейст- вовать переменная сила (усилие) & = £70*/ (iwd). Следовательно, электрический преобразо- ватель конденсаторного (а также электретного) типа имеет коэффициент электромеханической связи Хсв = Если пластинку пьезокристалла, вырезан- ную соответствующим образом (нлн пластинку нз пьезокерамнки), деформировать, например заставить одни из ее концов колебаться со ско- ростью v (рис. 4.7, а), то на ее электродах об- разуется переменная ЭДС = k„l2v/(ia>h2), где I — длина пластинки; h — толщина ее; k0 — коэффициент пьезоэффекта. Если же на электроды такой пластинки подать перемен- ное напряжение U~, вызывающее ток i (рнс. 4.7, б), то пластинка будет испытывать переменную силу (усилие) & = k0l2i/(iu>h2). Поэтому коэффициент связи для электромеха- нического преобразователя пьезоснстем с из- гибной деформацией имеет вид КСв = (<ой2). Если мембрану нз ферромагнитного мате- риала приближать к полюсным наконечникам постоянного магнита или удалять от ннх (на- н Рис. 4.6. Преобразователь конденсаторного типа: а—мехаиоэлектрический; б — электромеханический; d— расстояние между электродами; (JD — постоянное напряжение на конденсаторе; 1 — мембрана; 2— зазор между электродами; 3 — изо- ляция; 4 — неподвижный электрод 59
Рис. 4.8. Преобразователь электромагнитного типа: а — механоэлектрический; б — электромеханический Вй — постоянная составляющая ин- дукции в магнитной цепи; 1 — мембрана; 2 — зазор в магнит- ной цепи; 3 — полюсный нако- нечник, т. е. сердечник ка- тушки; 4 — катушки 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 S — B0LKvln, 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 соз- дающее в них ток i (рис. 4.8, б), то при усло- вии В^, <С Во (где В^. переменная составляю- щая индукции в магнитной цепи) на мембра- ну будет действовать переменная сила (усилие) & = Во LK i/n. Ввиду этого электромехани- ческий преобразователь электромагнитного типа имеет коэффициент электромеханической связи Ксв = B0LK/n. 4.5. МЕТОДЫ СОСТАВЛЕНИЯ АНАЛОГОВЫХ СХЕМ Было разработано несколько методов со- ставления аналоговых схем механических си- стем. Во всех методах сначала строится меха- ническая система, т. е. каждый механический конструктивный элемент заменяется узлами и цепочками, состоящими из механических элементов: массы, гибкости, активного со- противления и трансформаторов. Так, напри- мер, диафрагма заменяется узлом, состоящим из массы, гибкости и активного сопротивления (см. табл. 4.3. а). Акустические элементы заме- няют механическими, отверстие или узкую трубку — массой *, объем — гибкостью (см. табл. 4.4, д). Если под диафрагмой находятся небольшая камера или тонкий слой воздуха, то это означает, что масса диафрагмы подвешена иа двух параллельных пружинах (гибкостях). Если за камерой находятся узкая трубка или отверстие, то их масса помещается за соответ- ствующей камере пружиной. Если за отвер- стием 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- ответствующей объему, и т. п Ткань, фильтц или тонкая пленка, закрывающая отверстие, заменяется активным механическим сопротив- лением, соединенным в узел с массой На рис. 4.9, а показана конструкция акус- тико-механической системы. На рис 4.9, б дано построение ее в виде системы, состоящей из масс, гибкостей н активных сопротивле- ний. Поясним это построение. На входе рас- сматриваемой системы, являющейся элект- ромагнитным микрофоном, действует сила F = pS, где S — общая площадь входных от- 1 Следует иметь в виду, что масса счита- ется несжимаемой и поэтому имеет одну точку включения. Рис. 4.9, Конструкция ме- ханической системы (а) и соответствующая ей меха- ническая система (б): ш, — масса воздуха в каналах амбушюра А; г, — активное сопротивление каналов; с, — гибкость объема воздуха над диафрагмой Д; т2 —- масса диа- фрагмы; с2 — гибкость ее; г2 — активное сопротивление (поте- ри в диафрагме); Сз—гибкость объема воздуха под диафраг- мой ; ш з и т3 — м а ссы воз- духа в двух отверстиях, в пе- регородке под диафрагмой; г3 и гз — активные сопротивле- ния, вносимые материей, за- крывающей отверстия в пере городке; ъ — гибкость объема воздуха под перегородкой 60
Рис. 4.10. Пример построения аналоговой схемы: а — последовательность построе- ния: б - окончательная аналого- вая схема верстий микрофона, ар — звуковое давление около микрофона. Сила F приложена к массе т1г соответствующей массе воздуха в отверсти- ях амбушюра. В этих же отверстиях нахо- дится и активное сопротивление гг (трение о стенки отверстия, вязкость воздуха, излуче- ние и т. д.), и поэтому сила приложена и к это- му сопротивлению. Масса воздуха в отверстиях практически несжимаема, поэтому сила F пол- ностью воздействует и на объем, находящий- ся за ними, т. е. на гибкость q объема воздуха над диафрагмой. Имеем узел 1 из тг, г\ н Cj. Звуковое давление, создающееся в объеме над диафрагмой, действует на диафрагму Д, которая представляет собой узел сопротивле- ний 2 из т2, г2 и с2. Но, кроме того, то же дав- ление должно преодолевать сопротивление объема воздуха с3 под диафрагмой. Поэтому его упругость s3 - - 1/с3 складывается (см. табл. 4.2, б) с упругостью диафрагмы s2 = = 1/с2. Звуковое давление, создающееся в этом объеме, воздействует на массу, нахо- дящуюся в отверстиях перегородки П(т' 3 и т1'3). Кроме того, эти отверстия представ- ляют собой активные сопротивления г'3 и г"3, которые входят в узел 3. Через эти от- верстия звуковое давление действует на внут- ренний объем воздуха, имеющий гибкость с4. Так как масса воздуха в отверстиях практи- чески несжимаема, то на гибкость с4 действует то же давление, что и на массу воздуха в отвер- стиях, поэтому гибкость с4 входит в узел 3. Построим для системы рис. 4.9, б аналого- вую электрическую схему, для чего восполь- зуемся методом Белова. Поэтому методу берет- ся узел 1, к которому приложена сила, и стро- ится контур из всех элементов, входящих в данный узел с включением в него напряжения (силы). Затем строится следующий контур, со- ответствующий узлу 2, в который входят его элементы (т2, г2, с2, с3) и общий элемент с пер- вым контуром (cj и т. д. Надо для каждого узла построить контур и затем совмещать их путем совмещения одно- именных 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- говая схема. РАЗДЕЛ 5 МИКРОФОНЫ И ЛАРИНГОФОНЫ 5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ Микрофон (от микро и фон) — это устрой- ство для преобразования акустических колеба- ний воздушной среды в электрические сигна- лы. В настоящее время существуют различные типы микрофонов, которые находят широкое применение в системах радиовещания, теле- видения, телефонии, озвучения, звукоусиле- ния, записи и усиления звука. Микрофон яв- ляется первым и одним из наиболее важных звеньев любого электроакустического тракта. Поэтому его свойства оказывают огромное вли- яние на качество работы этого тракта. Ларингофон (от ларинго и фон) — это уст- ройство для преобразования механических ко- лебаний связок и хрящей гортани говорящего человека в электрические сигналы. Ои мало- чувствителен к колебаниям воздушной среды. Ларингофон применяется вместо микрофона на тех объектах связи, где имеются высокие уров- ни акустических шумов (самолет, таик, про- мышленный цех и др.). При работе ларинго- фон 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- вещании, телевидении, системах звукоусиле- ния, для акустических измерений и т.д. Они, 61
Как правило, имеют высокие параметры ка- чества. Бытовые микрофоны используют при домашней звукозаписи. Они проще по устрой- ству, дешевле, но уступают профессиональным микрофонам по техническим параметрам. По способу преобразования колебаний мик рофоны подразделяют на электродинамиче- ские (катушечные и ленточные), электроста- тические (конденсаторные и электретные), электромагнитные, угольные и др.; по диапа- зону воспринимаемых частот — на узкопо- лосные (речевые) и широкополосные (музыкаль- ные); по направленности — на ненаправлен- ные (круговые), двусторонненаправленные (восьмеричные нлн косинусоидальные), односторонненаправленные (к ардиои дн ые, суперкардиоидиые, гиперкардиоидиые), остро- направленные', по помехозащищенности — на шумозащищенные и обычного исполнения. Основные параметры микрофонов: нами нальный диапазон частот, модуль полного электрического сопротивления, чувствитель- ность по свободному полю, типовая частот ная характеристика чувствительности, характеристика направленности, перепад чувствительности фронт!тыл, коэффициент гармоник, динамический диапазон, разность уровней чувствительности стереофонической системы. Эти, а также и другие параметры мик- рофонов нормированы ГОСТ 6495—84 «Мик- ро<|юны, общие технические условия». В ГОСТ 16123-84 приведены термины и их определения ГОСТ 6495—84 распространяется иа динамиче- ские н конденсаторные микрофоны, нспользуе мые в системах звукозаписи, звукопередачи, звукоусиления и служебной связи в радио- электронной аппаратуре бытового и профессио- нального назначения. По электроакустическим параметрам мик- рофоны разделяют на четыре группы сложно- сти: нулевая (высшая), первая, вторая и третья. Микрофоны нулевой, первой н второй групп сложности предназначены для звуко- передачи, звукозаписи и звукоусиления му- зыки и речи, микрофоны третьей группы слож- ности — только для речи. Кроме того, по не- которым параметрам микрофоны подразделя- ются на устройства высшей и первой категорий качества. В соответствии с требованиями ГОСТ 6495 — 84 основные электроакустические па- раметры микрофонов должны удовлетво- рять нормируемым значениям при температу- ре 15. .35'С, относительной влажности воз- духа 45 ... 80 % и атмосферном давлении 84 ... 106,7 кПа. Номинальный диапазон частот — тот ди- апазон частот, в котором микрофон вос- принимает акустические колебания н в кото- ром нормируются его параметры. Для профес- сиональных студийных целей обычно стре- мятся использовать микрофоны нулевой груп- пы сложности высшей категории качества, для которых нормируется диапазон частот 20... 20 000 Гц. .Микрофоны первой группы сложно сти должны иметь номинальный диапазон час- тот не меиее 31.5 . . 18 000 Гц, второй группы 50 ... 15 000 Гц, третьей группы 63 ... 12 500 Гц. Модуль полного электрического сопротивле- ния (называемого также выходным или внут- ренним) нормируется на частоте 1 кГц. Со- противление может быть комплексным Z, или активным Если оно комплексное н, следо- вательно, зависимое от частоты, то в справоч- никах приводят или модуль на частоте 1 кГц, или среднее значение по диапазону частот. В ГОСТ 6495—84 для микрофонов нулевой и первой групп сложности нормируются значе- ния модуля полного электрического сопротив- ления 50 Ом н менее, 100 и 200 Ом, а для мик- рофонов второй и третьей групп сложности так- же еще и 2 кОм. Во многих случах помимо модуля полного электрического сопротивления (или вместо него) в паспорте указывается номинальное со- противление нагрузки ZH, т. е. такое сопротив- ление нагрузки, которое рекомендуется под- ключать к выходу микрофона при его работе. До 60-х годов рекомендовалось при работе вы- бирать номинальное сопротивление нагрузки равным входному сопротивлению микрофона Ri, т. е. Дн = Rt. При этом получался режим согласованного включения источника и нагруз- ки, характеризующийся максимальной переда- чей мощности сигнала. Но от микрофона тре- буется не максимум мощности, а максимум выделения напряжения на нагрузке. Поэтому сейчас обычно рекомендуется выбирать номи- нальное сопротивление нагрузки в несколько раз больше выходного сопротивления микро- фона. Например, прн выходном сопротивле- нии микрофона Rt — 200 Ом рекомендуется номинальное сопротивление нагрузки RH— = 1 кОм Так как при этом оказывается /?н= = 5Rif т.е. получается режим работы, близ- кий к режиму холостого хода, то при этом на- пряжение при нагрузке оказывается почти в 2 раза больше, чем в режиме согласованного включения. Чувствительность микрофона — это от- ношение напряжения U иа выходе микрофона к воздействующему иа него звуковому давле- нию р, выраженное в милливольтах на паскаль (мВ/Па): Е = U/p. Различают следующие виды чувствитель- ности микрофона; осевая (по фронту) и по раз- личным направлениям (чаще всего по тылу); по свободному и по диффузному полю; на номинальной согласованной нагрузке и на хо- лостом ходу. В паспорте обычно приводится осевая чувствительность, измеренная в свобод- ном ноле при работе на согласованную на- грузку. Осевая чувствительность микрофона опре- деляется при воздействии иа него звукового давления вдоль оси по фронту, т. е. под уг- лом 0°. Чувствительность по свободному полю Есв 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- мещения в ией микрофона: Есв = U!рсв 62
Чувствительность по диффузному ПОЛЮ £диф определяют при воздействии на микро- фон звукового давления в диффузном поле, причем напряжение U на выходе микрофона относят к звуковому давлению Рдиф в точке до размещения в ией микрофона: £диф I Рдиф При этом свободным полем называют такое поле, в котором преобладает прямая звуковая волна, а влияние отраженных звуковых волн пренебрежимо мало. Диффузное поле — это однородное и изотропное поле, т. е. такое поле, в каждой точке которого одинакова плотность звуковой энергии (однородное поле) и в кото- ром по всем направлениям распространяются одинаковые потоки звуковой энергии (изо- тропное поле). Чувствительность микрофона зависит от частоты. Поэтому введено понятие средней чув- ствительности — среднеквадратическое зна- чение в номинальном диапазоне частот, причем усредняют чувствительность, измеренную на частотах из предпочтительного октавного ря- да частот. 31,5; 63; 125; 250 ... 8000 и 16 000 Гц Уровень чувствительности — чуствитель- ность, выраженная в децибелах относительно величины Еиач = 1 B/Па и определяемая по формуле: Е £^ = 20 1g с = 20 1g £—60, дБ, £иач где £ — чувствительность микрофона, мВ/Па. Стандартный уровень чувствительно- сти — выраженное в децибелах отношение напряжения UK, развиваемого иа номинальном сопротивлении нагрузки £ном при звуковом давлении 1Па, к иапряжеиию, соответствую- щему мощности £0= 1 мВт, т. е. уровень мощ- ности, отдаваемой микрофоном в номинальную нагрузку /?ИоМ при давлении Р = 1 Па: Nст. = 20 1g (t/и/1/£ном £о ) — = 20 1g ( Ец/~[/ £ном Ю-3) = -= 10 lg (^h/Rhom £ о)’ В качестве примера определим стандарт- ный уровень чувствительности микрофона иа номинальной нагрузке /?ном = 150 Ом, если его чувствительность £ = 1 мВ Па = 10~3Х X В/Па, A/CT = Ю 1g [£2/ (£ном £ ком)1 — 10 1g [ 10- 3/(150- Ю-3)] = —52 дБ. Стандартный уровень чувствительности можно определить также по графикам, приве- денным на рис. 5.1. Для этого необходимо вос- становить ординату из точки на оси абсцисс, соответствующей чувствительности 1 мВ/Па, до пересечения с прямой, обозначенной через RH = 150 Ом, и на оси ординат отсчитать стан- дартный уровень чувствительности — 52 дБ. Рис. 5.1. Зависимость стандартного уровня от чувствительности При определении чувствительности по преж- нему обозиачеиию через мВ/бар уровень со- ставил бы —72 дБ. Осевая чувствительность по свободно- му полю конденсаторных микрофонов профес- сионального назначения нулевой и первой групп сложности при модуле полного элект- рического сопротивления 200 Ом должна быть не менее 10 мВ/Па, динамических микрофонов первой группы сложности 1 мВ/Па. Отклоне- ние чувствительности на частоте 1 кГц от ми- нимального значения, указанного в техниче- ских условиях для конкретного типа микро- фона, не должно превышать 2,5 дБ для мик- рофонов нулевой группы сложности и 6 дБ для микрофонов первой и второй групп слож- ности. Неравномерность частотной характери- стики определяется как разность между мак- симальным и минимальным уровнями чувстви- тельности микрофона в номинальном диапазоне частот и выражается в децибелах. = ^mln- На рнс. 5.2 приведены допусковые области типовых частотных характеристик чувстви- тельности микрофонов по свободному полю в соответствии с ГОСТ 6495—84. Типовые час- тотные 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- ниями обозначены допуски для односторонне- направленных микрофонов, а штриховыми— для ненаправленных микрофонов. Крутизна наклона линий, пересекающихся иа частоте 1 кГц, должна составлять 6 дБ иа октаву. Крутизна типовой частотной характеристики чувствительности в рабочем диапазоне частот допускается не более 9 дБ иа октаву. Откло- нение формы частотной характеристики от ти- повой не должно превышать ±2 дБ для микрофонов нулевой группы сложности, ± 2,5 дБ — первой группы, ±3 дБ — второй и тре- тьей групп. 63
Н,аБ г) Рис 5.2. Допусковые области типовых частот- ных характеристик Характеристика направленности R (0) — зависимость чувствительности микрофона в свободном поле иа определенной частоте / (нли в полосе частот со среднегеометрической частотой /ср) от угла 0 между рабочей осью микрофона и направлением на источник зву- ка. Обычно приводят нормированную характе- ристику направленности, т. е зависимость от- ношения чувствительности Е$, измеренной под углом 0, к осевой чувствительности Ео, т. е. R (0) = Ев/Ее. В случае определения характеристики на- правленности в децибелах приводят нормиро- ванную характеристику направленности, выра- женную в децибелах, как разность между Рис. 5.3. Типовые диаграммы направленности микрофонов уровнем осевой чувствительности микрофона Л/ме, т. е. R (0) = — Л/М-0. Диаграмма направленности — это графи- ческое изображение характеристики направ- ленности, которое чаще всего приводят в по- лярных координатах В качестве примера на рис. 5.3 приведены три наиболее часто встречающиеся диаграммы направленности микрофонов: а — круговая, б — косинусоидальная, в — кардиоидная. 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 одиостороиненаправ- ленных микрофонов перепад чувствительности в диапазоне частот 250 .. 5 000 Гц должен ук- ладываться 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- вают также с помощью коэффициента направ- ленности. Коэффициент направленности — отношение квадрата чувствительности микро- фона в свободном поле в направлении рабочей оси к среднему по всем направлениям квадрату чувствительности иа частотах f или в полосе частот со среднегеометрической частотой /ср Й = 2 / (0) sinOdO. I 0 Это отношение, выраженное в децибелах, называется индексом направленности: Q — = 10 1g й. Коэффициент гармоник микрофонов обыч- но ие нормируют и не измеряют, так как ои не- большой (менее 0,5 %) при воздействии уров- ней звукового давления до 120 дБ. Вместо это- го нормируют уровень предельного звукового давления в диапазоне частот 250 ... 8 000 Гц, при котором коэффициент гармоник не превы- шает определенного значения. Так, у микрофо- нов профессионального назначения высшей категории качества нулевой группы сложно- сти уровень предельного звукового давления при коэффициенте гармоник 0,5 % может до- стигать 140 дБ, первой и второй группы слож- ности — 120 дБ, у микрофонов бытового на- значения — 114 дБ. Динамический диапазон микрофона — разность между уровнем предельного зву- кового давления JVmax и уровнем собственных шумов h’w:D = Л'щах — Лщ. лБ Уровень собственных шумов появляется на выходе микрофона в отсутствие какого-либо акустического сигнала иа его мембране. На- пряжение шумов является следствием флукту- аций частиц в окружающей среде, а также теп- ловых шумов резисторов и усилительных эле- 64
мёнтов электрической части микрофона. Уро- вень собственного шума микрофона, приведен- ный 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: Л'ш =20 1g (Рш/Po). дБ. где рш иш/Ев\ ре = 2- 10—5 Па. Уровень эквивалентного звукового давле- ния, обусловленный собственным шумом мик- рофона относительно давления рв= 2- 10~5 Па, измеренный по кривой А, не должен пре- вышать 18 20 дБ А для профессиональных микрофонов нулевой и первой групп сложно- сти и 35 ... 38 дБА для бытовых микрофонов. Для стереофонических микрофонов допол- нительно нормируют разность уровней чувст- вительности по свободному полю стереоси- стемы в диапазоне частот 250 ... 8 000 Гц. Для стереофонических микрофонов нулевой группы сложности разность ие должна превы- шать 1,5 дБ, для остальных групп сложно- сти — не более 3 дБ Нормируемые в ГОСТ 6495—84 основные электроакустические параметры микрофонов приведены в табл. 5.1. Наименование микрофона должно содер- жать: 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- дено с 01 01.88 г ), а последующие цифры— порядковый номер разработки модели, в за- висимости от вариантов конструкции микро- фона; к цифровому индексу может быть добавлен буквенный индекс А, Б, В, Г включительно и С — стереофонический микрофон. Примеры наименования микрофонов: МД-281 — динамический микрофон второй группы сложности с порядковым номером раз- работки 81; МД-281А — тот же микрофон с усовершен- ствованной конструкцией; МК 021С —стереофонический конденса- торный микрофон нулевой группы сложно сти с порядковым номером разработки 21; МКЭ-156 — конденсаторный электретный микрофон первой группы сложности с поряд- ковым номером разработки 56 5 2 УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МИКРОФОНОВ Любой микрофон состоит из двух систем: акустико-механической и механо электрической Свойства акустико-механической системы сильно зависят от того, воздействует ли звуко- Рис. 5’.4. Зависимость коэффициента дифрак- ции от частоты вое давление на одну сторону диафрагмы (микрофон давления) или на обе стороны, а во втором случае от того, симметрично ли это воз- действие (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- ный микрофон градиента давления). При действии акустических колебаний только на одну сторону диафрагмы, т. е. иа микрофон давления, результирующая сила, действующая на нее, F = kpuS, где р0 — звуковое давление, имевшее место в акусти- ческом поле до внесения в него микрофона S — поверхность диафрагмы, на которую дей- ствует звуковое давление; k — коэффициент дифракции, определяемый как отношение зву- кового давления р на поверхности диафрагмы к давлению р0, имевшему место в поле до вне- сения в него микрофона. На низких частотах, где размеры микрофона малы по сравнению с длиной звуковой волны, k = 1 и повышает- ся к высоким частотам. На зависимость коэф- фициента k от частоты сильно влияет форма микрофона в целом. Это хорошо иллюстрирует рнс. 5.4, на котором приведены выраженные в децибелах зависимости коэффициента диф- ракции звукового давления на поверхности жесткого цилиндра с высотой, равной его диа метру — (рнс. 5.4, с), куба (рис. 5.4, б) и сфе- ры (рис. 5.4. в). По оси абсцисс здесь отложе- ны d/X — отношение диаметра цилиндра или сферы к длине волны или /'X — отношение дли ны ребра куба и длине волны Параметр Ф се 3 Зак. 1Ь88 65
Таблица 5.1. Параметры микрофоном Норма по группам сложности I [араметр нулевая первая вторая | третья Номинальный диапазон частот, Гц 20...20 000 31,5... 18 000 50... 15 000 63... 12 500 31,5...18 009 40... 16 900 50... 12 500 80... 10 000 Модуль полного электрического сопротив- ления на частоте 1 кГц, Ом, с допускаемым отклонением не более ±20% 50 100 200 50 100 200 50 100 200 2000 50 100 200 2009 Чувствительность по свободному полю на частоте 1 кГц прн модуле полного электри- ческого сопротивления 200 Ом, мВ/Па, не менее микрофонов конденсаторных профессиональ. пых, конденсаторных бытовых, динамических 10 10 1,5 1 8 2 1.3 2 2 1,3 Отклонение чувствительности на частоте 1 кГц от минимального значения, указан- ного в технических условиях, дБ, не более 2.5 6 6 Типовая частотная характеристика чувстви- тельности по свободному полю должна на- ходиться в пределах допусковых областей Рис. 5.2, а Рис. 5.2, б Рис. 5.2, в Рис. 5.2, г Отклонение формы частотной характеристи- ки чувствительности от типовой, дБ, не бо- лее ±2 ±2,5 ±3 ±3 Перепад чувствительности: ненаправленных микрофонов прн углах 0 н 90° на частотах 1...5 кГц, не более 4 4 — — односторонненаправлениых микрофонов при углах 0 и 90° иа частотах 250...5000 Гц, дБ 3...10 3...10 3...10 3...10 Средний перепад чувствительности фронт- тыл кардиоидных микрофонов в диапазоне частот 250...5000 Гц, дБ, не менее 20/18 16/15 12/10 12/10 Уровень эквивалентного звукового давле- ния, обусловленный собственным шумом конденсаторного микрофона относительно 2-10~5 Па, дБА, не более, для микрофонов: профессионального назначения бытового назначения 18/20 18/20 26/28 28/30 35/38 Уровень предельного звукового давления в диапазоне частот 250...8000 Гц, дБ, не менее, для микрофонов: профессионального назначения прн коэф- фициенте гармоник 0,5% 140/126 120/114 120/114 __ бытового назначения при коэффициенте гармоник 1 % — — 114 114 Разность уровней чувствительности у сте- реофонических микрофонов в диапазоне 250...8000 Гц, дБ, не более 1.5 3 3 3 Примечание. В числителе приведены нормы для микрофонов высшей категории качества, в знаме нателе — для первой категории. 66
мейства кривых — это угол между осью ци- линдра (куба, сферы) и направлением прихо- да звука. Следует замснть, что кроме формы микро- фона на коэффициент дифракции влияет так- же акустико-механическое сопротивление мик- рофона и даже его стенок. Кривые рис. 5.4 дают приближенное пред- ставление о частотной зависимости коэффици- ента 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- ние уровня звукового давления у основания цилиндрическою кожуха микрофона, у кото- рого d ~-= h =0,05 м при падении на него зву- ковой волны частотой 2750 Гц под углом Ф = 30° к осн цилиндра. Длина волны в воздухе для этой частоты Z = 0,125 м. Отсюда находим, что d/Z = 0,4. Восстанавливая ординату из точки на оси абснисс, соответствующей этой величине, до пересечения с кривой, имеющей отметку Ф = 30° на графике для цилиндра, отсчитываем на оси ординат k = 5 дБ, что приблизительно и является искомой величиной повышения уровня Давление, действующее на диафрагму, из- меняется по сравнению с давлением в свобод- ной волне не только из-за дифрации, но н из-за резонирующего действия углубления перед диафрагмой, образующегося у многих типов микрофонов вследствие применения колец для крепления диафрагмы к основной конструк- ции микрофона. Увеличение давления на диаф- рагме вследствие действия углубления может быть определено с помощью кривых рис. 5.5. Пример. Пусть требуется найти увелнче ние давления на дне углубления диаметром 2г - 0,05 м и глубиной / 0,0125 м на частоте f= 1530 Гц Параметр а = rlI будет равен 0,025/0,0125 = 2. Длина волны на этой часто- те составляет X = 0,224 м. Отсюда 2 лг/Х= = 2 л 0,025/0,224 = 0,7 Восстанавливая ор- динату из точки на оси абсцисс, составляющей 0.7, до пересечения с кривой, имеющей отмет- ку 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 ре действует сим- метрично на обе стороны диафрагмы микрофо- на (микрофон градиента давления), малого по размерам по сравнению с длиной падающей на него плоской волны, то сила, действующая на диафрагму: F 2p„sin^——-dcosoj, где с — скорость звука в воздухе (с=343 м/с при 20 С); d — разность хода звука между обеими сторонами диафрагмы; 0 — угол меж- ду рабочей осью микрофона и направлением прихода звука (рис. 5.6). Для низких частот, где 0,5 (nd/с < л/2, сила F — (pBSd(o/c) cos 0. При осевом падении зву- ка Г PnSdu'c. Рис. 5 5 Зависимость коэффициента дифрак- ции от коэффициента kr Таким отразом, сила в микрофонах гради- ента давления частотио-зависима. На низких частотах эта зависимость линейна, на высо- ких— приблизительно синусоидальна. Кроме того, на высоких частотах, где размеры микро- фона становятся сравнимыми с длиной волны, начинают сказываться частотно-зависимые явления дифракции Приведенные выражения для силы, дейст- вующей на открытую воздействию звукового давления с обеих сторон диафрагму, действи- тельны при нахождении ее в поле плоской волны. При нахождении же ее в поле сфериче- ской волны, т.'е. вблизи источника, последнее выражение для силы приобретает вид со Г с2 F~pBS—d1/ 1 4 —- , Су U)2 г2 где г — расстояние от источника до плоскости диафрагмы. При г 3> (с/о>) выражение сов- падает с предыдущим. При г (с/со) сила F = peSd/r, т. е. сила становится частотио- независимой. Это явление может дать как от- рицательный, так и положительный эффект. Так, если микрофон (например, ленточный), на диафрагму которого звуковое давление дей- ствует с обеих сторон, помещается вблизи ис- точника, то, как видно из приведенных фор- мул, на высоких частотах он может нахо- диться еще в поле плоской волны и сила, дей- ствующая на него, будет пропорциональна частоте. На низких же частотах эта сила уве- личивается по абсолютной величине и может стать даже частотно-независимой. Поэтому Рис. 5.6. К определению разности хода звуко- вых волн 3* 67
микрофон будет подчеркивать низкие частоты, «бубнить». С другой стороны, если такой микрофон рассчитан на работу вблизи полезного источ- ника, то силы, обусловленные звуковым дав- лением той же величины от дальних источни- ков (помех), будут меньше и, следовательно, микрофон будет менее чувствительным по от- ношению к ним, т е. шумозащищенным, осо- бенно иа низких частотах. Пример. Пусть требуется найти, во сколь- ко раз сила, действующая иа диафрагму мик- рофона градиента давления, разность хода между сторонами которой составляет 0,02 м, больше силы, действующей на такую же диаф- рагму микрофона давления иа частоте 500 Гц, если источник находится на расстоянии 0,3 м от микрофона. На рис. 5.7 восстанавливаем ординату из точки иа оси абсцисс, соответствующей / 500 Гц, до пересечения с кривой, имеющей отмет- ку 30 см, отсчитываем на оси ординат 0,095. Отсюда отношение сил будет 0,095 2 = 0,19. Следовательно, сила, действующая на диаф- рагму микрофона градиента давления, будет составлять 0,19 силы, действующей на такую же диафрагму микрофона давления. Коэффициент р/ре на рис. 5.7 соответствует отношению разности Ар давления, действую- щего на обе стороны диафрагмы, к давле- нию р0 в свободном поле. Параметр кривых b — расстояние от источника до плоскости диафраг- мы. Кривые построены для разности хода между обеими сторонами диафрагмы, равной 1 см. Для другой разности хода следует умно- жить на ее значение величину, полученную из графика Изменением конструкции микрофо- нов, в которых звуковое давление действует несимметрично на обе стороны диафрагмы, можно получить разнообразные формы ха- рактеристик направленности и добиваться их меньшей зависимости от частоты Большое' влияние на характеристики мик- рофона оказывает его механоэлектрическая часть В зависимости от принципа преобразо- вания механических колебаний в электриче- ские микрофоны делятся на электродинами- Рнс 5 7. Зависимость коэффициента \р/рв or частоты ческие (катушечные и ленточные), конденса- торные (в том числе электретные), электро- магнитные, пьезоэлектрические, угольные, транзисторные В электродинамических и электромагнитных микрофонах выходное электрическое напряжение пропорционально скорости колебаний подвижной системы, а в микрофонах остальных типов — пропорцио- нально колебательному смещению. Первым получил распространение уголь- ный микрофон, который и до сих пор исполь- зуют в телефонии. В первые годы радиовеща- ния специальные конструкции угольных мик- рофонов использовались н в этой области. Действие угольного микрофона основывается на изменении сопротивления между зернами угольного порошка при изменении давления на нх совокупность. Угольный микрофон (рис. 5.8. а) работает следующим образом. При воздействии звуко- вого давления на его диафрагму 1 она начина- ет колебаться В такт этим колебаниям изме- няется и сила сжатия зерен угольного порош- ка 2, в связи с чем изменяется сопротивление между электродами 3 н 4, а при постоянном электрическом напряжении изменяется и ток через микрофон. Если, скажем, включить мик- рофон к первичной обмотке трансформатора Тр, то па зажимах его вторичной обмотки бу- дет возникать переменное напряжение, форма кривой которого будет отображать форму кривой звукового давления, воздействующего на диафрагму угольного микрофона. Выходное напряжение микрофона ,, О'о Rn и , U„ RH п U =т-------------— kx------------= Ri «2 + R„ R, U2 RH kF U„ R„ n W2H R,n2 + /?„ где F — действующая на диафрагму микрофо- на результирующая сила звукового давления, Uo — приложенное к микрофону постоянное напряжение; т — коэффициент модуляции, Ri — внутреннее сопротивление микрофона; Ru — сопротивление его нагрузки; п — коэф- фициент трансформации; х — смещение диаф- рагмы микрофона; гм — механическое сопро- тивление акустико-механической системы микрофона; k — отношение коэффициента мо- дуляции к величине смещения диафрагмы микрофона. Основное преимущество угольного микро- фона— высокая чувствительность, позволяю- щая использовать его без усилителей. Недо- статки— нестабильность работы и шум из-за того, что полезный электрический сигнал выра- батывается при разрыве и восстановлеиин кон- тактов между отдельными зернами порошка (что само по себе является процессом прерыв- ным), большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения. Эти недостатки угольного микро- фона привели к тому, что всюду, где требуется высокое качество преобразования, например в радиовещании, при звукозаписи и измерени- ях, его уже давно не применяют. 68
Рис. 5.8. Устройство микрофонов: а — угольного; б — электромагнитного; в — электродинамического; г — ленточного; д — конденса- торного: е — пьезоэлектрического После угольного микрофона появился электромагнитный микрофон, который рабо- тает следующим образом (рис. 5.8, б). Перед полюсами (полюсными наконечниками) 2 маг- нита 3 располагают ферромагнитную диафраг- му 1 или скрепленный с ней якорь. При коле- баниях диафрагмы под воздействием на нее зву- кового давления меняется магнитное сопро- тивление системы, а значит, и магнитный поток через витки обмотки, намотанной на магнито- провод этой системы. Благодаря этому на за- жимах обмотки возникает переменное напря- жение звуковой частоты, являющееся выход- ным сигналом микрофона, величина которого ,, Фц Лн Фо F Rh и — w----V---------- - W —-------------. d 2, d гм An~bzi Здесь, помимо введенных выше обозначений, Фо — магнитный поток, исходящий из полю- са магнитной ситемы; d — зазор между полю- сом и якорем; v — колебательная частота ди- афрагмы (якоря); w — число витков обмот- ки; г, — внутреннее электрическое сопротив- ление микрофона. Электромагнитный микрофон стабилен в работе. Однако ему свойственны узкий частот- ный диапазон, большая неравномерность час- тотной характеристики и значительные нели- нейные искажения. Этим и объясняется то, что область применения электромагнитного мик- рофона 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- ву. Это делают для компенсации снижения спектра речи на частотах свыше 400 Гц. В противоположность электромагнитному микрофому чрезвычайно широкое распрост- ранение для целей озвучения, звукоусиления- а раньше и звукозаписи и радиовещания по, лучил электродинамический микрофон в сво- их двух модификациях — катушечной и ленточной. Принцип действия электродинамического катушечного микрофона состоит в следующем (рис. 5.8, в). В кольцевом зазоре 1 магнитной системы, имеющей постоянный магнит 2, на- ходится 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- ющееся выходным сигналом микрофона. Его величина выражается как Rh Ri RH U . Blv F Rh Bl--------— zm Rt + н 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- ского микрофона несколько отличается от уст- ройства катушечной модификации (рис. 5.8, г). Здесь магнитная система микрофона состоит из постоянного магнита 1 и полюсных нако- нечников 2, между которыми натянута легкая, обычно алюминиевая, тонкая (порядка 2 мкм) ленточка 3. При воздействии на обе ее сторо- ны звукового даления возникает сила, под дей- ствием которой ленточка начинает колебаться, пересекая при этом магнитные силовые линии, вследствие чего на ее концах развивается на- пряжение. 69
Так как сопротивление ленточки очень ма- ло, то для уменьшения падения напряжения на соединительных проводниках напряжение, развиваемое на концах ленточки, подается на первичную обмотку повышающего трансфор- матора, размещаемого в непосредственной близости от ленточки. Напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора является выходным напряжением микрофона. Выра- жение для него ие отличается от выражения для выходного напряжения катушечного мик- рофона. Частотный диапазон этого микрофона довольно широк, а неравномерность частотной характеристики невелика. Для электроакустических трактов высоко- го качества наибольшее распространение в на- стоящее время получил конденсаторный (электростатический) микрофон Принци- пиально он работает следующим образом (рис. 5.8, д). Жестко натянутая мембрана I под воздействием звукового давления может ко- лебаться относительно неподвижного электро- да 2, являясь вместе с ним обкладками элект- рического конденсатора. Этот конденсатор включается в электрическую цепь последова- тельно с источником постоянного тока Е и активным нагрузочным сопротивлением R. При колебаниях мембраны емкость конденсато- ра 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- лении возникает падение напряжения, явля- ющееся выходным сигналом микрофона. Вы- ходное напряжение микрофона ,, Е Rh Е F R,, и =—— х------------ —------------------. а г, + /?н я и>гм zi I Ян Здесь, помимо введенных выше обозначений, d— зазор между диафрагмой и неподвижным электродом; zt — внутреннее емкостное элект- рическое сопротивление микрофона Следует отметить, что нагрузочное сопро- тивление должно быть большим, чтобы паде иие напряжения на нем не уменьшалось силь- но на низких частотах, где емкостное сопротив- ление конденсатора (мембрана — неподвиж- ный электрод) очень велико и эксплуатация такого микрофона была бы, по существу, ие возможна из-за сравнительно небольшого со противления микрофонных линий и нагрузки По этой причине почти у всех современных конденсаторных микрофонов предусмотрены конструктивно связанные с самим микрофо- ном усилители, имеющие малый коэффициент усиления (порядка единицы), высокое входное и низкое выходное сопротивления Значение последнего таково, что позволяет эксплуати- ровать конденсаторные микрофоны в условиях обычных линий и нагрузок. Поэтому выходным сопротивлением коиденсаториого микрофона считают выходное сопротивление его усилите- ля Аналогично выходным напряжением кон деисаторного 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- му, в которой конденсаторный микрофон включают как емкость в электрический колеба- тельный контур высокой частоты, изменяя его резонансную частоту с периодом колебаний, воздействующих иа микрофон. Конденсаторные микрофоны имеют самые высокие качественные показатели широкий частотный диапазон, малую неравномерность частотной характеристики, низкие нелиней- ные и переходные искажения, высокую чув- ствительность и низкий уровень шумов. Электретные микрофоны, по существу, те же конденсаторные, но постоянное напряже- ние для них обеспечивается не обычным источ- ником, а электрическим зарядом мембраны или неподвижного электрода, материалы которых отличаются тем, что способны сохранять этот заряд длительное время. Некоторое распространение получили мик- рофоны пьезоэлектрические (рис. 5.8, е). Их действие основано на том, что звуковое давление воздействует непосредственно или через диафрагму / и скрепленный с ней стер- жень 2 на пьезоэлектрический элемент 3. При деформации последнего на его обкладках вслед- ствие пьезоэлектрического эффекта возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона. К г» zi <огм Здесь, помимо введенных выше обозначений, k — пьезоэлектрический коэффициент. Перспективы применения пьезоэлектри- ческих микрофонов в последнее время расши- рились благодаря появлению используемых для диафрагм микрофонов и других преобра- зователей новых синтетических пленочных ма- териалов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом. Действие транзисторных микрофонов (весь- ма мало распространенных) основывается на том. что под действием звукового давления на диафрагму скрепленное с ней острие, яв- ляющееся одновременно эмиттером полупро- водникового триода, изменяет сопротивление эмиттерного перехода через него. Хотя тран- зисторные микрофоны с диафрагмой достаточно чувствительны, но они недостаточно стабиль- ны и их частотные характеристики даже в срав- нительно узком диапазоне частот неравномер- ны. Стереофонический микрофон представляет собой систему из двух микрофонов, конструк- тивно размещенных в общем корпусе на одной оси друг над другом. Для записи по системе ХУ применяют стереофонические микрофоны, состоящие из двух одинаковых монофониче- ских микрофонов с кардиоидными характерис- тиками направленности, причем акустические оси левого Мх и правого Му микрофонов по- вернуты на 90° относительно друг друга 70
(рис. 5.9, а). При записи по системе MS один из микрофонов (микрофон середины Мм) имеет круговую характеристику направленно- сти, а другой (микрофон стороны Л18) — ко- синусоидальную характеристику направлен- ности (рис. 5.9, 6). Радиомикрофон представляет собой систе- му, состоящую из микрофона, переносного ма- логабаритного передатчика и стационарного приемника. Микрофон чаще всего используют динамический катушечный или электретный. 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- диоприемник принимает сигнал, преобразует его в низкочастотную область, затем этот сиг- нал через микшерный пульт подается дальше в тракт и параллельно — иа акустический контрольный агрегат для прослушивания. Вследствие влияния дополнительных преобра- зований в системе «передатчик — эфир — — приемник» качественные параметры радио- микрофона уступают параметрам обычного микрофона. Для приема речи в условиях окружающего шума применяют ларингофоны.. Эти приборы воспринимают механические колебания горта- ни, возникающие прн речеобразоваиии. Для этого ларингофоны (обычно пара) прижимают- ся к шее в области гортани. По принципу пре- образования ранее применялись угольные ла- рингофоны, а в настоящее время — электро- магнитные. Отличие их от соответствующих микрофонов в том, что в них нет диафрагм, на которые воздействуют звуковое давление, а подвижный элемент (якорь) вследствие инер- ции перемещается относительно корпуса ко- леблющегося в такт с колебанием гортани, к которой он прилегает. Из вышеприведенных выражений для чув- ствительности различных типов микрофонов можно определить, каким параметром должна управляться мехаиоэлектрическая система микрофона, чтобы получить равномерную час- тотную характеристику по давлению, т. е. без учета влияния дифракции и резонанса уг- лубления перед диафрагмой. Эти требования обобщены в табл. 5.2 для микрофонов давле- Рис. 5.9. Характеристики направленности сте- реофонических микрофонов ния и в табл. 5.3 для микрофонов градиента давления. Существенное влияние на частотную харак- теристику микрофона оказывает включение его в электрическую цепь. Так, при работе микрофона с емкостным внутренним сопро- тивлением z, = 1/<оС (конденсаторного, элект- ретного, пьезоэлектрического) на актив- ное сопротивление нагрузки падение напря- жения U на последнем связано с ЭДС е, развиваемой микрофоном, выражением U = = е/"|/1 + 1/(<оС/?)2, а соответствующий спад частотной характеристики на нижних часто- тах N = 10 lg [1 1/(шС/?)2], который пред- ставлен на рис. 5.10 графически. Коэффициент в виде произведения частоты f в герцах, ем- кости микрофона С в пикофарадах и сопротив- ления нагрузки R„ в омах показан иа рис. 5.10 с учетом множителя 10-10. Пример. Пусть требуется узнать, какой должно быть сопротивление нагрузки для кон- денсаторного микрофона емкостью 200 пФ, чтобы на частоте 35 Гц спад чувствительности по сравнению с высшими частотами не превы- шал 8 дБ. Восстанавливая абсциссу из точки Таблица 5.2. Требования к микрофонам давления Принцип преобразования Угольный Электро- магнит- ный Электро- динами- ческий Конден- саторный (элект- ретный) Пьезо- электри- ческий Транзи- сторный Параметр, поддерживаемый постоянным Управляющий параметр Расположение резонансной частоты относительно основно го диапазона Смещение Упругость Выше Скорость Активное сопро- тивление Ниже Смещение Упругость Выше 71
Таблица 5.3. Требования к микрофонам градиента давления Принцип преобразования Электро- магнитный Электроди- намический Конденса- торный Пьезоэлект- рический Транзистор- ный Параметр, поддерживаемый постоянным Управляющий параметр Расположение резонансной ча- стоты по отношению к основ- ному диапазону Скорость Масса Ниже Смешение Активное сопротивление Ниже на оси ординат, соответствующей 8 дБ, до пере- сечения с кривой, отсчитываем на осн абсцисс , 7-1010 fCR = 7-1010, откуда R = —— = 10' Ом, «□о • a-OU что и является искомой величиной. В некоторых случаях, например при прие- ме речи, получение такого спада частотной ха- рактеристики в области нижних частот жела- тельно. Тогда его осуществляют в конденсатор- ных микрофонах путем подбора сопротивле- ния нагрузки по приведенной выше формуле и графику. В динамических же микрофонах указанный спад частотной характеристики получают путем шунтирования контуром, об- разованным параллельным соединением ин- дуктивности и активного сопротивления. Этот шунт отключается, а следовательно, ис- чезает и спад частотной характеристики в об- ласти нижиих частот при переходе на прием музыки. Получающиеся спады иа частоте со для мик- рофона с внутренним сопротивлением Rj при шунтировании индуктивностью L и сопротив- лением R Это соотношение справедливо, когда RH > > Ri и RH > R, что на практике имеет место в большинстве случаев. Рис. 5.10. Зависимость снижения уровня на- пряжения на нагрузке конденсаторного микро- фона от произведения fCRn 5.3. НАПРАВЛЕННЫЕ СВОЙСТВА МИКРОФОНОВ Для суждения о направленных свойствах микрофонов, кроме самих характеристик на- правленности, чаще всего применяют такие параметры, как коэффициент направленности П и отношение коэффициентов направленности в передней и задней полусферах Пор/Пт= = Яф^т. Эти параметры определяют для мик- рофонов, направленность которых симметрич- на относительно оси, как 1 Q ------------------------ и — f R2 (6) sin0d0 2 J о я J /?2 (••) sinOdf) “ф/т- „/2 j /?2(e)sin6de о где R (0) — отношение чувствительности микрофона под углом 0 к его оси, к осевой чувствительности Ев. Эти параметры очень полезны для оценки свойства микрофона. Так, дальность действия микрофона с коэффициен- том направленности П и ~|/П раз больше, чем у ненаправленного (при условия распределе- ния источников равноинтенсивных помех во- круг микрофона). Иными словами, при одном и том же отношении сигнал-помеха на выходе микрофона направленный микрофон может на- ходиться в Т/O' раз дальше от источника по сравнению с ненаправленным. Параметр £2ф/т полезен для оценки подав- ления помех от источников, расположенных сзади микрофона (например, в зале), по срав- нению с источниками, расположенными перед микрофоном (например, исполнители на эст- раде). Характеристика направленности R (0) микрофонов может быть представлена выраже- нием, являющимся в общем случае уравнени- ем улитки Паскаля: /?(0)=у^Г (H CCOS0), 72
где й — параметр, определяющий форму ха- рактеристики направленности, являющийся отношением чувствительности приемника гра- диента давления и чувствительности приемни- ка давления. Форму характеристики направ- ленности одиосторонненаправленных микро- фонов можно выразить и через параметр у = С/(1 + су. при С 0 у 0 (рис. 5.11, а) — окруж- ность; при С 1 у = 0.5 (рис. 5.11,6)— кар- диоида; при С= 1,7 у 0,63 (рис. 5.11, в)— суперкардиоида; при С = 3, у — 0,75 (рис. 5.11, г) — ги- перкардиоида; при С -+• оо (рис. 5.11, 0) получается дву- сторонняя направленность (косинусоида, вось- мерка). Для микрофонов с непостоянной направ- ленностью 3 (1 -С)= з 3+С= (1_у)2_!_у2/3 ’ 14-С ,-С^/З 1-у-гу2/3 “ф/т 1 —С+С2/3 1—3у + 73'у2 Зависимость й и йф/т от у представлена на рис. 5.11, е соответственно кривыми / и 2. Пример. Чтобы определить параметры для гиперкардиоиды (С = 3, у = 0,75), восста- навливаем ординату из точки на оси абсцисс у = 0,75 и отсчитываем на оси ординат Й = 4 (6 дБ) и Йф/Т=6,8 (8 дБ). Микрофон с такой характеристикой будет иметь по сравнению с ненаправленным микрофоном при одном и том же соотношении сигнал-помеха на выходе даль- ность приема в поле равномерно распределен- ных в пространстве источников помех в Д/4, т. е. в 2 раза большую. В этих же условиях он будет подавлять помехи, приходящие от источ- ников, расположенных в задней полусфере, по сравнению с ненаправленным мнкрофо ном иа 10 1g6,8 « 8 дБ. Кроме описанных выше параметров, отоб- ражающих направленность микрофона, боль- шим распространением пользуется такой па- раметр. как выражаемый в децибелах перепад чувствительности фронт-тыл. Как уже упоминалось выше, сила, дейст вующая на диафрагму микрофона градиента давления, вблизи от источника, т. е. в поле сферической волны, не прямо пропорциональ- на частоте, как это имеет место при нахожде- нии 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- сти Поэтому и частотная характеристика и ха- рактеристика направленности для кардиоид ных микрофонов этого типа меняются с удале- нием от источника, как это показано на fi№) R(6) R(S) Rd)) R(9) Рис. 5 11. Характеристики направлеииости комбинированных микрофонов рис. 5.12, где приведены зависимости отноше- ния чувствительности кардиоидного микрофо- на при разных углах 0 между осью микрофона и направлением прихода звука и разных рас- стояниях до источника звука к его чувстви- тельности при 0 = 0е и г ->- оо от kr = 2л/Х. Параметр семейства кривых — угол 0, Для определения kr в зависимости от расстояния и частоты служит нижняя часть графика. Пример. Пусть требуется определить, на- сколько чувствительность кардиоидного мик- рофона под углом 135° на расстоянии от ис- точника 0,5 м на частоте 50 Гц меняется по от- ношению к его осевой чувствительности Из рис. 5.12 находим, что расстоянию 0.5 м при частоте 50 Гц соответствует kr = 0,5. На пере- сечении кривой 135° и ординаты 0,5 находим значение — 2,8 дБ. На столько чувствитель- ность под углом 135е иа расстояиии 0,5 м бу- дет отличаться от осевой чувствительности микрофона при нахождении последнего на бесконечном расстоянии от источника. На расстоянии же, равном 0,5 м, его осевая чув- ствительность (0 = 0е, kr = 0,5) будет отли- чаться от чувствительности иа бесконечности на+ 3,0 дБ. Таким образом, чувствительность под углом 135° для расстояния 0,5 м на часто- те 50 Гц отличается от чувствительности этого А620 10 о -10 -20 "30, е= 180' 2 5 10 ^~~S0 0 05° 90 ° ZJf лг 1м - О,5мо 3,25 м . t ,, .. г- „ 1,1 5 10 20, 50 100 2001 500 МО0~Ги‘ 10 20[ 50 lip 2box sbo ЮОЬ 2000 20 ' ° 100 250 5Ц01000zoop 5o'por^ 50 100 200 500 10002000 500010000' Рис. 5.12. Зависимость отношения чувстви- тельности кардиоидного микрофона от угла прихода звука 73
Рис 5 13. Векторные диаграммы звуковых давлений же микрофона на оси (0 = 0°) на 4-3,0 — — 2,8 = 0,2 дБ, т. е. чувствительности для этих углов практически одинаковы. Для кар диоидного же микрофона на бесконечно боль- шом расстоянии от источника эти чувствитель- ности будут различаться на 16,5 дБ Примечательно, что для угла 90 чувстви- тельность ие меняется на любом расстоянии, что объясняется тем, что составляющая силы, обусловлеииой градиентом давления, будет для этого иаправлеиия равна нулю. Получить необходимую форму характе- ристики направленности микрофона можно путем изменения его конструкции. Сферическую характеристику направлен- ности, как было показано выше, имеют мик- рофоны давления, но только на низких часто- тах. Для получения круговой характеристики и на высших частотах, хотя бы в горизонталь- ной плоскости, микрофон иногда располагают так, чтобы его ось была вертикальной Для получения двустороиией («восьмерочной») направленности применяют в основном микро- фоны градиента давления (например, ленточ- ные), т. е. такие, где диафрагма открыта воз- действию звукового давления с обеих сторон. Для получения односторонней направленно- сти раньше пользовались соединенными по- следовательно микрофоном давления и микро- фоном градиента давления, конструктивно заключенными в один корпус. В настоящее время одностороннюю направленность полу- чают в одном микрофоне, принцип действия которого заключается в том, что он имеет два простраиственио разнесенных входа для воз действия звукового давления с расстоянием между ними d и что сдвиг фазы звукового дав- ления внутри микрофона делается равным сдвигу фазы звукового давления иа пути от первого входа (у диафрагмы) до второго (см. рис 5.6). Это может быть пояснено вектор иой диаграммой, приведенной на рис. 5.13. Здесь рА — звуковое давление, действующее иа диафрагму. От его фазы на угол <р отстает фаза звукового давления рв у второго входа. Внутри микрофона звуковое давление претер- певает такой же сдвиг фазы на угол <р и на обратную сторону диафрагмы, в результате действует звуковое давление рс. Тогда резуль тирующее давление, приводящее диафрагму в колебания, будет pz. Если же звук приходит со стороны второго входа, то звуковые давле ния рА и рс будут одинаково сдвинуты по фазе относительно звукового давления рв и раз- ность рА и рс будет равна нулю Вследствие этого диафрагма останется в покое и выходное напряжение микрофона будет равно нулю. Не- обходимые сдвиги фаз и соотношения парамет- ров элементов внутренней фазосдвигающей акустико-механической системы микрофона получаются при рассмотрении действия его схемы-аиалогии, которая в упрощенном виде изображена на рис 5.13, г, где г, — механи- ческое сопротивление подвижной системы, г2— механическое сопротивление второго вхо- да, г3 — механическое сопротивление внут- ренней фазосдвигающей акустико-механиче- ской системы микрофона. Условие односторонней направленности микрофона, представляемого такой схемой, выполняется, если г,/г3 = jto(d/c). Это условие обычно бывает трудно соблюсти во всем диапа- зоне частот. Поэтому в реальных конструкци- ях делают несколько «вторых» входов, каж- дый для своей области частот так, чтобы рас- стояние уменьшалось по мере повышения час- тоты . Для оперативного изменения направлен- ности микрофонов у некоторых их типов воз- можно дистанционное управление ею путем электрического переключения выходов состав- ляющих микрофонов с различными характери- стиками направленности. Так. если имеются два одинаковых кардиоидных микрофона, аку- стические оси которых направлены противо- положно, то их характеристики направленно- сти могут быть представлены как ех = -у- (1 -J- cos 0) и е2 у-(1—coS0) Синфазное последовательное электрическое соединение этих микрофонов дает суммарную ЭДС е = е1 + е2 = е0, что соответствует от- сутствию направленности (круговая или сфе- рическая характеристика). Встречное по- следовательное включение дает суммарную ЭДС е = е, — е2 = е„ cos 0. т. е. двусторон- нюю (восьмерочную) характеристику. Таким образом, с помощью переключателя, находящегося на каком-то расстоянии от та- кого сдвоенного микрофона, можно получить следующие характеристики направленности: кардиоида, обращенная в одну сторону; кар- 74
Диоида, обращенная в другую сторону; кру- говая; косинусоидальная. Кроме того, приме- няя потенциометрическое включение микрофо- нов, т. е. складывая полное напряжение от одного микрофона с долей напряжения от дру- гого микрофона, можно получить еще ряд про- межуточных характеристик. Остронаправленные микрофоны («пушки») современной конструкции обычно состоят из микрофона, к которому примыкает трубка с отверстиями по длине (рис. 5.14) или со сплош- ной осевой прорезью. Отверстия или прорезь обычно закрываются тканью. Если звук приходит по оси, то пути его рас- пространения по трубке и через отверстия оди- наковы и составляющие звукового давления от прошедших через трубку колебаний сиифаз- ны и, следовательно, сумма их, воздействую- щая иа диафрагму, максимальна. Если же звук приходит под углом 6 к оси, труб ки, 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- ку, обусловит сдвиг фаз, определяемый как 4(1 — cos 6) (ш/С). В свою очередь, это созда- ет сдвиг фаз различной величины между дву мя колебаниями, пришедшими через разные отверстия, что приводит, следовательно, к уменьшению результирующего давления, дей- ствующего на диафрагму. Следует отметить, что чем большую остро- ту направленности нужно получить, тем боль- ше должна быть длина звукоприемного эле- мента (трубки), так как острота направленно- сти увеличивается с увеличением //Л — отно- шения длины трубки к длине волны принимае- мого звука. Принципиальное значение направленные свойства микрофонов имеют в стереофониче- ских системах. Здесь применяют три способа приема. Способ АВ, при котором используют два пространственно разнесенных микрофона (правый и левый), напряжения от которых по- дают в правый и левый каналы стереофониче- ской системы. Способ XY, при котором микрофоны про- странственно совмещены (обычно один над другим) и образуют единую конструкцию Од- нако при этом акустические оси микрофонов, как правило, кардиоидных, развернуты так. что угол между ними составляет примерно 90 . Такое расположение в какой-то степени ими- тирует прием звука ушами, максимумы ха- рактеристик направленности которых также развернуты относительно друг друга. Как и в системе АВ, выходные напряжения микрофо- нов подаются на входы правого и левого кана- лов стереофонической системы. Способ MS, при котором применяют также два микрофона: одни — ненаправленный, другой — с косинусоидальной характеристи- кой направленности, минимум которой на- правлен на источник звука. Они конструктив- но совмещены между собой, как и при способе ХУ. Выходные напряжения этих микрофонов с помощью суммарио-разностиого преобразо- вателя складываются и вычитаются. Сумма напряжений подается на вход одного из кана- лов стереофонической системы (например, правого), разность этих напряжений — на вход другого канала (левого). Таким образом, для целей стереофонии применяют микрофоны с известными характеристиками направленно- сти, но имеющие специальную конструкцию расположения и крепления их пары. В последние годы появился еще один спо- соб применения микрофонов в стереофонии, так называемой бифонический, основанный на использовании искусственной головы. В нем малые ненаправленные микрофоны устанавли- вают в макете искусственной головы на местах, соответствующих входам в слуховые каналы правого и левого ушей. Таким образом хоро- шо имитируются условия приема звука двумя ушами и, в частности, иаправлеииость послед- них. Выходные напряжения этих микрофонов подаются иа выходы правого и левого каналов стереофонической системы Серьезной задачей, решение которой имеет важное практическое значение, является обес- печение 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- тенсивность от последнего увеличивается и, таким образом, повышается отношение сиг- нал-помеха, что позволяет лучше выделять по- лезный сигнал. Если полезный сигнал и помеха имеют различающиеся между собой по ширине амплитудно-частотные спектры, то шумозащи- щенность может быть достигнута путем огра- ничения частотного диапазона микрофона гра- ницами спектра сигнала или же наиболее важ- ной частью этого спектра. Этот метод неприме- ним, если спектр сигнала шире спектра помехи или равен ему по ширине. Для далеких от микрофона источников по- лезного сигнала и пространственно распреде- ленных источников помех эффективным спосо- бом шумозрщищенности является применение остроиаправлеиных микрофонов, ориентиро- ванных на источник полезного сигнала В слу- чае же единичных дискретных источников по- мех удовлетворительные результаты получа- ются при применении двусторонних или одно- стороннеиаправлеииых микрофонов, ориенти- рованных направлением минимальной чувст- вительности на источник помех. Наиболее трудная задача — обеспечение шумозащищеи- ности микрофонов, работающих в условиях Рис. 5 14. К пояснению принципа действия остроиаправлеиного микрофона 75
too 200 1000 2000 2500 2000 4000 5000 50 Г00 r-2,5CH г=1,25см 200 250 500 400 500 1000 Частоты, соотбетстбующие разным значениям г 25 50 Рнс. 5.I5. Зависимость шумо- защищеиности от коэффициен- та kr близко расположенных источников помех с ши роким частотным спектром, создающих у мик- рофонов высокий уровень шумов. Здесь эф- фективным является использование микрофо- нов градиента давления, размещаемых как можно ближе к источнику полезного сигнала (например, корту при приеме речи), так как в поле его сферической волны источники помех будут восприниматься с меньшей чувствитель- ностью, чем полезный сигнал близко располо- женного источника. Шумозащищенность (в децибелах) таких микрофонов в зависимости от произведения kr (где г — расстояние от источника полезного сигнала до средней плоскости микрофона, a k— волновое число) и от разности хода d между передней и задней сторонами подвижной сис- темы /Va- IO lg 2 (I—cos kd) I 5- Добавление 5 дБ в приведенной формуле ото- бражает снижение уровня помех благодаря косинусоидальной направленности микрофона. Величина Na может быть определена из рис. 5.15. Пример. Пусть требуется найти на частоте 500 Гц шумозащищенность микрофона, в ко- тором 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- ка видно, что растоянию 1.25 см и частоте 500 Гц соответствует kr 0 I. Восстанавливая ординату в этой точке оси абсцисс до пересече- ния с кривой, имеющей отметку d 2г. отсчи- тываем по оси ординат |6 дБ. что и является искомой величиной. 5.4. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ МИКРОФОНЫ Электродинамические микрофоны (кату- шечные и ленточные) могут быть выполнены практически с любой характеристикой направ- ленности. Однако в СССР и за рубежом приме- няют в основном электродинамические кардио- идные микрофоны Находят применение также ненаправленные микрофоны этого типа Из катушечных микрофонов большое рас- пространение в нашей стране получили микро- фоны МД-44, МД-45, МД-63, МД-64, МД-66, МД-71, МД-75, МД 80. МД-82 и МД-86 оте чественного производства MD-210, MD-220 — венгерского, AMD-460 — чехословацкого, F-115 — японского и др. Рассмотрим особен- ности и основные характеристики некоторых из них. Микрофон МД-63. Это ненаправленный ди- намический катушечный микрофон, внешний вид которого приведен на рис. 5.16, а. Внутри корпуса (рис 5.16, б), передняя сторона кото- рого имеет решетку с отверстиями для прохода звука, находится капсюль. Зазор капсюля сни- зу закрыт кольцом с отверстиями, заклеенными шелком для создания акустического сопротив- ления. Сверху диафрагмы расположена на- кладка. повторяющая по профилю форму цент- ральной части диафрагмы и служащая для по- вышения чувствительности на высших часто- тах. Объем воздуха внутри магнитной системы капсюля соединен посредством отверстий, так же заклеенных шелком с объемом воздуха внутри кожуха. Такую же в основном конст- рукцию имеют и другие динамические микро- фоны Поэтому в дальнейшем мы на этих де- талях конструкции останавливаться не будем. Па рис. 5.16, в приведена также аналого- вая электрическая схема микрофона, где т1 и Г], т2 и г2. т-, и г3, т4 и r4, т5 и г5, те и гв — массы и активные сопротивления воздуха со- ответственно в отверстиях решетки, в отвер- стиях накладки, в слое между накладкой и диа- фрагмой. зазоре между катушкой и полюсным наконечником, а также в отверстиях центри рующего кольца, элементе акустического со- противления (шелк), в отверстиях магиито- провода. в трубке, предназначенной для по- вышения чувствительности на низких часто тах; т0, с0, г„ — масса, гибкость закрепления и активное сопротивление подвижной системы; с,, с.г, с3 и с4 — гибкости объемов воздуха со- ответственно между решеткой и накладкой, под диафрагмой, внутри магнитной системы. 76
Рис. 5.16, Микрофон МД-63 Рис. 5.17. Микрофон МД-52А 77
Рис. 5.18. Стереофонический микрофон МД-52Б-СН внутри корпуса; S] — площадь отверстий в решетке. Микрофон МД-63 работает в диапазоне час- тот 60 .. 15 000 Гц Неравномерность частот- ной характеристики составляет 20 дБ. Внут- реннее сопротивление микрофона 250 Ом. Чув- ствительность 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- са 125 г. Микрофон МД-52А. Это кардиоидный мик- рофон профессионального применения. На рис. 5.17 приведены его внешний вид (а), кон- струкция (б) и аналоговая электрическая схе- ма (в), где: mi и г7, т2 и г2, та и г3, т4 и г4, т5 и гь, тв и гй, т7 и r7. ms и гй, тв и гя — массы и активные сопротивления воздуха соот- ветственно в решетке /, слое воздуха между накладкой и диафрагмой 3, в элементе акусти- ческого сопротивления 8. в элементе акусти- ческого сопротивления 2, в трубке 9, в отвер- стиях трубки 9, в элементе акустического со- противления 14, в отверстии корпуса 11; clt с2, с3, с4, г6, св — гибкости воздуха соответст- венно в объеме между решеткой и накладкой, между накладкой и диафрагмой, под диафраг- мой, внутри магнитной цепи 7, во внутреннем корпусе 12, между внешним н внутренним кор- пусами; т„, св н гв — масса, гибкость закреп- ления и активное сопротивление подвижной системы; Sj и Sn — площади отверстий соот- ветственно 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- верстия в корпусе, находящегося иа расстоя- нии d от первого входа, т. е. от центра диафраг- мы. На этом расстоянии получается сдвиг фа- ы зы звукового давления, равный — d cos 6, с где 0 — угол между осью микрофона и направ- лением прихода звука. Масса и активное сопро- тивление воздуха в этом отвер.стии вместе с па- раметрами всех элементов конструкции микро- фона от отверстия второго входа до заданной стороны диафрагмы образуют внутреннюю фазосдвигающую систему, обеспечивающую получение кардиоидной характеристики на- правленности. 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, расположенного на корпусе микрофона МД-52А, на конец кабеля, заде- лываемого 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 а) Рис. 5.19. Микрофон МД-66 78
Рис. 5.20. Микрофон МД-200 частотной характеристики 12 дБ, внутрен- нее сопротивление 250 Ом, чувствительность холостого хода 1,2 мВ/Па иа частоте 1 кГц. У микрофона МД-52Б те же параметры, за ис- ключением верхней граничной частоты, кото- рая составляет 15 000 Гц. Для стереофонического приема по систе- ме АВ или XY используют микрофон МД-52Б-СН, представляющий собой единую конструкцию из двух микрофонов МД-52Б (рис. 5.18), которая позволяет устанавливать их иа расстоянии 0,4 м друг от друга либо сов- мещать, чтобы была возможность разворота осей иа угол от 0 до 180°. Микрофон МД-66 и МД-200. Речевой мик- рофон МД-66 и микрофон для любительской звукозаписи МД-200 имеют аналогичные, ио более простые конструкции и соответственно аналоговые электрические схемы. Внешний вид, конструкция и электричес- кая эквивалеитиая схема микрофона МД-66 приведены на рис. 5 19. Этот речевой кардио- идный микрофон для звукозаписи и звукоуси- ления работает в диапазоне частот 100... ...10 000 Гц с неравномерностью частотной ха- рактеристики 20 дБ. Внутреннее его сопротив- ление 250 Ом, чувствительность холостого хода 2 мВ/Па иа частоте I кГц. Аналогичные параметры имеет микрофон МД-200, внешний вид, конструкция и элек- трическая эквивалентная схема которого при- ведены иа рис. 5 20. Микрофон МД-78. Предиазиачеи для эстрад- ных исполнителей при использовании как иа напольной стойке, так и в руке на близком расстоянии от исполнителя. Может быть при- менен также для записи, передачи и звуко- усиления музыки и речи в телевизионных и радиовещательных студиях, театрах и кон- цертных залах. Типовая частотная характерис- тика микрофона приведена иа рис. 5.21, а, а его внешний вид — иа рис. 5.21,6. Микрофон имеет следующие технические характеристики: номинальный диапазон час- тот 50...15 000 Гц; чувствительность холосто- го хода иа частоте 1 кГц ие меиее 2 мВ/Па; отклонение частотной характеристики чувст- вительности от типовой в номинальном диапа- зоне частот ие более ±2,5 дБ; возможность коррекции частотной характеристики иа НЧ до 12 дБ иа частоте 50 Гц; средний перепад уровней чуствительности фронт-тыл в номи- нальном диапазоне частот ие меиее 12 дБ, наи- меньшее значение 6 дБ; модуль полного внутреннего электрического сопротивления Рис. 5.21. Микрофон МД-78 79
Рнс. 5.22. Микрофон МД-80 н МД-80А 150 Ом на частоте 1 кГц; масса микрофона не более 220 г. Этот микрофон отличается от вышеописан- ных кардиоидных мнкрофоноа тем, что имеет не одни второй вход, а два, находящихся со- ответственно на расстояниях dt и d2 от первого входа, т. е. от центра диафрагмы. На низких частотах разность фаз звуковых давлений, действующих на первый вход и на одни из аторых входов, определяется сравни- тельно большим расстоянием d1. На высоких частотах инерционное сопротивление ат ста- новится очень большим и первый вход «запи- рается». При этом эффективным становится второй вход, удаленный от первого на срав- нительно небольшое расстояние d2. Второй вход осуществляется через звукопроницае- мые стенки, имеющие определенную массу н активное сопротивление воздуха. Разные пути dt и d2 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- ряются условия односторонней направленнос- ти. Однако, строго говоря, нельзя говорить, что входы di и d2 действуют каждый только в своем диапазоне частот. Естественно, что прак- тически высокочастотный вход d2 будет в какой-то степени шунтировать низкочастотный вход dt на низких частотах. Это приведет к некоторому спаду частотной характеристики в области низких частот, что не слишком ухуд- шит режим работы микрофона из-за его близ- кого расположения от источника звука вбли- зи рта. В результате форма характеристики направленности изменяется с частотой от гн- перкардноиды на низких частотах к кардиои- де на высших. Вместе с тем осевая частотная характеристика этого микрофона сильно зави- сит 6т расстояния, йа котором микрофон на- ходится от источника. В микрофоне МД-78 предусмотрены не- подвижная антифонная катушка АК, вклю- ченная противофазно основной звуковой ка- тушке ЗК (для подавления индуктивных помех), н параллельный контур нз индуктив- ности 75 мГн и сопротивления 1,2 кОм, слу- жащий для снижения чувствительности на низких частотах. Включение такого контура бывает полезным при приеме речи, так как устраняется так называемое «бубнение», по- вышается разборчивость речи и уменьшается опасность возникновения обратной акустичес- кой связи прн звукоусилении в помещениях. Микрофон имеет ветрозащиту, а его капсюль виброзащнщен. Микрофоны МД-80 и МД-80А. Предназна- чены для записи, передачи и звукоусиления речи в любых помещениях и на открытом про- странстве, а также для диспетчерской и слу- жебной связи (рис. 5.22). Технические характеристики: номиналь- ный диапазон частот 50...12 000 Гц; чувстви- тельность холостого хода на частоте 1 кГц не менее 2 мВ/Па; неравномерность типовой час- тотной характеристики чувствительности в но- минальном диапазоне частот не более 22 дБ, в диапазоне 100.. 8000 Гц не более 15 дБ; от- клонение частотной характеристики от типо- вой на любой частоте номинального диапазона не более ±2,5 дБ; перепад чувствительности «фронт-тыл» на любой рабочей частоте не ме- нее 6 дБ, средний перепад чувствительности «фронт-тыл» в номинальном диапазоне частот не менее 12 дБ; уровень эквивалентного зву- кового давления относительно давления 2 х X Ю‘ ь Па, обусловленного воздействием на микрофон переменного магнитного поля на- пряженностью 0,08 А/м, не более 12 дБ. Микрофон МД-86. Это — широкополос- ный двухкапсюльный кардиоидный микрофон, предназначен для записи музыки и речи в сту- днях радио и телевидения, театрах, концерт- ных залах, учреждениях. Номинальный диа- пазон частот 40. .15 000 Гц, чувствительность по свободному полю 1,2 мВ/Па на частоте 1 кГц, средняя разница уровней чувствитель- ности фронт-тыл в диапазоне частот 250.. ...5000 Гц не менее 15 дБ, модуль полного элек- трического сопротивления 150 Ом на частоте 1 кГц. Корректор обеспечивает спад частот- Рнс. 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- ры микрофона, мм; диаметр 24, длина 206. Масса микрофона 350 г. На рнс. 5.23 приведены внешний вид микро- фона (а), его электрическая принципиальная схема включения (б) и частотные характерис- тики чувствительности для углов приема 0. 90 и 180е. Микрофон AMD-460 В комплект AMD-460 фирмы «Тесла-Электроакустика» (ЧССР) вхо- дит динамический микрофон AMD-410N, Дер- жатель микрофона AYM-305 и микрофонный кабель AYM-325. Этот микрофон имеет карди- оидную характеристику направленности, низ- кое выходное сопротивление, симметричный выход. Микрофон можно подключать ко всем типам транзисторных или ламповых усилите- лен, магнитофонов и других студийных уст- ройств. Микрофон AMD-460 может быть использо- ван для работы в профессиональных и местных студиях, для записи программ на магнитофо- ны Но основное назначение его — это исполь- зование для музыкальных коллективов и озву- чения залов или открытых пространств прн трансляции речи, пения, а в случае не- обходимости — и музыкальных программ. Хорошие характеристики направленности микрофона значительно уменьшают опасность возникновения акустических завязок возбуж- дения в тех залах, где работают с большими уровнями сигнала. На рис. 5.24 приведены внешний внд мик- рофона (а), его частотные характеристики по фронту и по тылу (б) и характеристики на- правленности (в). Номинальный диапазон частот микрофона AMD-460 составляет 50. ..18 000 Гц, нерав- номерность частотной характеристики 14 дБ, модуль выходного электрического сопротив- ления 200 Ом, чувствительность в свободном поле 1,2 мВ/Па на частоте 1 кГц. К микрофону может быть подключен уд- линительный кабель, длина которого не долж- на превышать 100 м Микрофон D-202. Этот микрофон фирмы AKG (Австрия) основан на применении двух Рис. 5.24. Микрофон AMD-460 микрофонных капсюлей (низкочастотного и высокочастотного), включаемых через элек- трический разделительный фильтр с частотой раздела 500 Гц. Устройство микрофона показано на рис. 5.25, где 1 — высокочастотный капсюль, 2 — антифонная катушка, 3 — диафрагма и катушка низкочастотного капсюля; 4 — за- щитная крышка и установочная плата высоко- частотного капсюля; 5 — амортизация; 6 — крышка нз сплавленных шариков, 7 — дер- жатель крышки; 8 — низкочастотный кап- сюль; 9 — корпус; 10 — инерционная трубка; 11 — разделительный фильтр; 12 — выклю- чатель; 13 — корректор низких частот; 14 — звуковой вход с протнвоветровым экраном На диафрагмы каждого нз капсюлей в своей области частот воздействует звуковое давление, падающее на переднюю сторону не- посредственно и на заднюю — через отверстия в магнитной цепи. В результате микрофон имеет широкую частотную характеристику Рис. 5.25. Микрофон D 202 81
Рнс. 5.26. Микрофон MD-441 (30...15 000 Гц), почти совершенно равно- мерную в диапазоне 50..10 000 Гц, и на- правленность, мало меняющуюся с частотой, по крайней мере до 8 000 Гц. К особенностям этого микрофона следует отнести применение антифонной катушки, пе- реключателя «включено — выключено», пере- реключателя для получения спада низких частот при приеме речи, фильтра для умень- шения помех ветра. Решение, при котором для расширения час- тотного диапазоне применяют два капсюля — низкочастотный и высокочастотный, хотя н 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- странственно, что существенно влияет на ха- рактеристику направленности. Микрофон MD-441. В конструкции этого микрофона фирмы «Зеннхайзер» (ФРГ) при- менено 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- лебаться, рупор. Последний рассчитан так, чтобы усиливать звуковое давление /, дей- ствующее 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- ра. 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- тельным взаимным подбором элементов акус- тико-механической системы, отображенной аналоговой электрической схемой (рис. 5.26, в). Описанная конструкция позволяет полу- чить по данным фирмы неравномерность ча- стотной характеристики, не превышающую 6 дБ в диапазоне 30. ,20 000 Гц. Фактически неравномерность в диапазоне 50 .10 000 Гц достигает 15 дБ. Характеристика направлен- ности имеет в широком диразоне частот при- мерно форму гиперкардноиды. Из других специфических особенностей микрофона MD-44I 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- чанию «блеск» и «прозрачность». Это до- стигается включением контура по схеме рис. 5.26, г. Задача коррекции в области низ- ких частот — снижение чувствительности с Рнс. 5.27. Микрофон F-115 «7 82
помощью схемы рис. 5.26, д. Действие ее при равных положениях переключателя показано на рнс. 5.26, е. Специальные меры предприня- ты для предотвращения помех от ветра, дыха- ния и вибраций. Первое достигается с помо- щью нескольких дисков нз 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 ления, т. е. у него круговая характеристика направленности на низких и средних часто- тах Диапазон звуковых частот 40. 12 000 Гц, неравномерность частотной характеристики 10 дБ. модуль полного выходного сопротив- ления 600 Ом, чувствительность по свободно- му полю 1 мВ/Па. На рис 5.27 приведены внешний вид мик- рофона (а), его частотные характеристики (6) н характеристики направленности (в). Микрофоны МЛ-19 и МЛ-51. Эти микро- фоны отечественного производяства являются ленточными Устройство односторонненаправ- ленного ленточного микрофона МЛ-19 пока- зано 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; 11. 12 пластины нз звукопроницаемого материала (пенопласта), образующие второй вход пло- щадью S2 для звукового давления; 13 — отверстие во фланце 5; 14 — лабиринт, за- полненный звукопоглощающим материалом; 15. 16 — накладки; 17 — скоба, корректи- рующая частотную характеристику; 18 — от- верстие во фланце, соединяющее объем 10 с 19 — отверстиями в корпусе площадью S1( через объем между ними. На рис. 5.28,6 при- ведена аналоговая электрическая схема; с0, ти н г0 — гибкость, масса н активное сопро- тивление ленточки; т, г — масса и активное сопротивление второго входа; ct, — гиб- кость и активное сопротивление воздуха в ла- биринте, т2, г2 — масса и активное сопротив- ление отверстия 18, с2 — гибкость воздуха в отсеке лабиринта; т3, г3 — масса и активное сопротивление отверстия 19. Даже при тщательном подборе всех пара метров аналоговой схемы микрофона его чув ствительность из-за уменьшения эффективной площади ленточки спадает к высоким часто- там. Для компенсации этого перед ленточкой устанавливают дугообразную корректирую- щую скобу. Здесь на высоких частотах уста- навливаются стоячие волны, длина которых меняется в соответствии с изменением рас- стояния между ленточкой и разными частями скобы. Внешний вид микрофона МЛ-19 приведен на рис. 5.28, в. Номинальный диапазон этого □ □□□□ □ □□□□ □ □□□□ □ □□□□ □ □□□□ □ □□□□ □ □□□□ □ □□□□ Рнс. 5.28. Микрофоны МЛ-19 н 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- нее 12 дБ. Модуль полного электрического сопротивления 250 Ом. На рнс. 5.28, г приведен внешний вид лен- точного микрофона МЛ-51. Микрофон имеет косинусоидальную характеристику направлен- ности. Номинальный диапазон частот 40... 16 000 Гц. Чувствительность в свободном поле 9,5 мВ/Па Модуль полного электриче- ского сопротивления 250 Ом. 5.5. КОНДЕНСАТОРНЫЕ МИКРОФОНЫ Конденсаторные микрофоны имеют самые высокие электроакустические параметры, и в этом их основное преимущество по сравне- нию с другими разновидностями микрофонов. Номинальный диапазон частот многих конден- саторных микрофонов достигает 30... 18 000 Гц. неравномерность частотной характеристики в этом диапазоне не превышает 8 дБ (а у изме- рительных — 4 дБ), чувствительность в сво- бодном поле на частоте 1 кГц достигает 15. . 20 мВ/Па и выше Характеристика направ- ленности может быть практически любой — от ненаправленной до остронаправленной. В нашей стране находят широкое примене- ние отечественные конденсаторные микрофо- ны МК-13, МК-16, МК-18, МК-19, элекгрет ные конденсаторные микрофоны МКЭ-4, МКЭ-5, МКЭ-6, МКЭ-7, МКЭ-10, МКЭ 11 СИ, т-,+т. С3 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- ленности. Внешний вид микрофона показан на рис. 5.29, а. Поперечный резрез микро- фона приведен на рис 5 29, б, где / — мем- браны диаметром 30 мм. прижатые к изоля- ционной втулке в неподвижном электроде 2. имеющем сквозные 4 и глухне 5 отверстия; 3 — зазор между мембраной и неподвижным электродом; 6 — контактный лепесток. У этого микрофона можно получить боль- шой набор характеристик направленности путем дистанционного электрического включе- ния какой-либо одной мембраны нли их обеих синфазно или противофазно. Аналоговая электрическая схема капсю- ля представлена на рнс. 5.29, е, где с0, т0 — гибкость и масса каждой из мембран; «ц, су и г, — масса, гибкость и активное сопротив- ление воздуха в зазорах 3; т2, г2 — масса и активное сопротивление в сквозных отверсти- ях 4, т3, с3 — масса и гибкость воздуха в глухих отверстиях 5; S — действующая пло- щадь мембран. Микрофон МК I3M обладает равномерной частотной характеристикой и путем упомя- нутого выше переключения напряжения по- ляризации может оперативно иметь одну из следующих характеристик направленности: окружность, восьмерка (косинусоида), кар диоида, обращенная в одну сторону, и кардио- ида, обращенная в противоположную сторону. Микрофон МК-16. Это отечественный изме- рительный микрофон, разрез капсюля кото- рого показан на рис. 5.30, а, где 1 — крышка; 2 — регулятор натяжения мембраны; 3 — никелевая мембрана толщиной 3 мкм; 4 — неподвижный электрод, имеющий ряд сквоз- -О 6) Рис 5.29 Микрофон МК-13М 84
пых и глухих отверстий; 5 — прокладка 6 — кварцевый изолятор; 7 — прокладка: 8 — гайка; 9 — винт для перемещения не- подвижного электрода 4; 10 — крепежный винт Капсюль конструктивно объединен с микрофонным усилителем, схема которого изо- бражена на рис. 5.30, б. Усилитель на нувис- торе 6С34А выполнен в виде цилиндра, закан- чивающегося с одной стороны разъемом для подсоединения к кабелю, идущему к блоку питания, а с другой стороны — штырем для соединения с капсюлем. Для обеспечения на- пряжения анода (210±10 В при токе 1,5 А) и накала) 6 В при токе 127 мА) предварительно- го 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- кового давления 154 дБ — не более О %. уровень эквивалентного звукового давления, вызываемого собственным шумом электричес- кого происхождения в любой активной поло- се частотного диапазона, не выше 46 дБ; час тота, при которой характеристика направ ленности в пределах угла ±90с от оси отли- чается от круговой не более чем на 1 дБ, 3150 Гц; нестабильность уровнен чувствитель ности при нормальных условиях — не более ±0,5 дБ; темепературная поправка — не бо- лее 0.05 дБ/РС; изменение уровня чувстви- тельности при изменении атмосферного дав ления — не более ±10“4дБ/Па; изменение уровня чувствительности при изменении от- носительной влажности от наименьшей до наи- большей не более 0,5 дБ; изменение уровня чувствительности при изменении напряжения питания па ±10% - не более ±0,3 дБ; эк- вивалентный объем капсюля микрофона при атмосферном давлении 10й Па — не более 2 • 10 " м3. Большое число типов измерительных мик- рофонов выпускает датская фирма «Брюль и Кьер». Из них наиболее употребительны ти- пы 4145 (диаметр 23,77 мм, диапазон 2,6. . ...18000 Гц) и 4133 (диаметр 12,7 мм, диапазон 3.9...40 000 1 ц). Неравномерность нх частот- ной характеристики в номинальном дипазо- не ие превышает ±2 дБ. Микрофоны обладают высокой степенью стабильности. Микрофон МК-18. Этот микрофон с пере- ключаемой характеристикой направленности (круг, кардиоида, косинусоида), с возможно- стью изменения чувствительности и коррекции частотной характеристики чувствительности в области низких частот предназначен для за- писи и усиления музыки и речи в студиях ра- дио и телевидения, концертных залах, теат- рах н других помещениях. Технические характеристики: номиналь ный диапазон частот 50... 16 000 Гц; неравно- мерность частотной характеристики чувст- вительности в номинальном диапазоне частот в режиме «кардиоида малая» не более 6 дБ, в режиме «косинусоида» не более 10 дБ и в ре- жиме «кру|» не бочее 8 дБ; чувствительность б) Рис. 5.30. Разрез капсюля (о) и схема усили- теля (б) микрофона МК-16 на частоте 1 кГц в режиме «кардиоида боль- шая» не менее 16 мВ/Па, в режиме «кардиоида малая» не меиее 10 мВ/Па; средний перепад чувствительности фронт/тыл в режиме «кар диоида малая» в номинальном диапазоне частот не менее 15 дБ: уровень эквивалентного звукового давления, обусловленный собствен- ным шумом микрофона, относительно нуле- вого уровня звукового давления 2 • 10_“ 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- рофона может уменьшаться с помощью пере- ключателя на 10 дБ. Габаритные размеры микрофона: 46 35 у: 187 мм; блока пита- ния 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- тельного усилителя. Капсюль представляет собой симметричную конструкцйю, состоящую из двух неподвижных электродов и двух мембран. Зазоры между мембранами и непо- движными электродами образуются с помощью прокладок. Емкость каждой половины кап сюля 65±5 пФ. Предварительный усилитель выполнен по двухкаскадной схеме (рис. 5.31.0). Первый 8?
60В (Выход) I—' ' ° }5,1к VBrVB4 КД-105 А fl^Q 7*4^* vds-vd„ Д814Д Р7, -П307 #3 1,2к с,±±ог 2!Щ 2од 2 J WV 20,0 >5 Ьо &_ 20~0 CJ> ~20J0 В) 60 В Рис. 5.3I. Схема предварительного усилителя (а) и блока питания (б) микрофона МК-18 86
каскад построен йа полевом транзисторе КПЗОЗВ, второй — иа биполярном транзисто- ре КТ361Е. Питание усилителя осуществля- ется по фантомной схеме (рис. 5.31,6). С блока питания БП-98 подается напряжение 60 В. Модуль полного внутреннего сопротив- ления микрофона 200...250 Ом. Микрофон дол- жен быть включен иа нагрузку с симметрич- ным входом и сопротивлением не менее 1 кОм. В микрофоне предусмотрены переключения характеристик направленности — круг, ко- синусоида, кардиоида — с помощью переклю- чателя 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, 6. С помощью переключателя, расположенного на корпусе микрофона, можно получать три вида харак- теристик направленности: в режиме «круг» (рис. 5.32, в), «кардиоида» (рис. 5.32, г) и «косинусоида» (рис. 5.32, в). Микрофон МК-19. Предназначен для тех же целей, что и микрофон МК-18, но имеет только одну характеристику направленно- сти — кардиоидную. Основные электроакустические параметры микрофона МК-19 такие же, как у микрофона МК-18 в режиме «кардиоида»; диапазон 50... ...16 000 Гц, чувствительность 16 мВ/Па, ха- рактеристика направленности в соответствии с рис. 5.32, г и т. д. Предварительный усили- тель микрофона МК-19 выполнен на полевом транзисторе КП307Б по схеме, приведенной на рнс. 5.33. Питание усилителя осуществля- ется по фантомной схеме с блока питания БП-120 с выходным стабилизированным на- пряжением 55 В. Схема блока питания БП-120 отличается от приведенной выше схемы блока питания БП-94, тем, что номинал резистора R3 составляет 6,2 кОм и в качестве V£)lo вместо стабилитрона Д814Д используется стабили- трон КС156А. В остальном схемы идентичны. Микрофон U-87. Этот высококачественный микрофон фирмы «Нойман» (ФРГ) также на- ходит широкое применение во многих радно- домах и на телецентрах нашей страны. Внеш- ний вид, частотные характеристики и диаграм- мы направленности микрофона 17-87 приведе- ны на рис. 5.34. Капсюль микрофона состоит из неподвижной пластины и двух позолочен- ных мембран. С помощью переключателя на корпусе микрофона можно выбрать круговую, кардиоидную нли косинусоидальную харак- теристики направленности. Частотные харак- теристики практически идеально горизонталь- ные в диапазоне 40...8 000 Гц и имеют подъем на 2...4 дБ на частоте собственного механичес- кого резонанса 10 кГц с последующим зава- лом на более высоких частотах. При кардиоид- ной и косинусоидальной диаграммах направ- ленности линейность частотной характерис- тики сохраняется в случае приближения мик- рофона к источнику не ближе 20 см. Чувст- вительность микрофона можно уменьшить на 10 дБ. Рнс. 5.33. Внешний вид (а) и схема предва- рительного усилителя (6) микрофона МК-19 Технические данные микрофона: чувстви- тельность 8 мВ/Па на частоте 1 кГц; диапа- зон 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- тивление 200 Ом (рекомендуемое сопротивление нагрузки 250... 1 000 Ом); уровень собствен- ных шумов не более 25 дБ при измерении при- бором с линейной частотной характеристикой и не более 18 дБ А прн измерении по кривой А; максимальный уровень звукового давления, при котором коэффициент гармоник не превы- шает 0,5%, 120 дБ; напряжение фантом- ного источника питания 48 В; потребляемый ток 0.4 мА. Диаметр микрофона 56 мм, длина 200 мм, масса 500 г. Микрофон SM-69. Это — стереофоничес- кий конденсаторный микрофон той же фирмы (рис. 5.35). Предназначен ’для студийных сте- реофонических звукозаписей. Он состоит из двух идентичных конденсаторных микрофо- нов, 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- вительность на частоте 1 кГц 19 мВ/Па; диа- пазон частот 40... 16 000 Гц; неравномерность частотной характеристики не хуже приведен- ной на рис. 5.35, 6; выходное сопротивление 200 Ом (рекомендуемое сопротивление нагруз- ки 250...1 000 Ом); уровень собственных шу- мов не более 20 дБ прн линейной частотной характеристике и не более 13 дБ при измерен нии по кривой А, максимальный уровень зву- кового давления, при котором коэффициент гармоник не превышает 0,5%, 123 дБ; на- пряжение фантомного источника питания 48 В; потребляемый ток 2 х 0,6 мА. Диаметр ми- крофона 48 мм, длина 260 мм, масса 465 г. 87
a} ff) V Рнс. 5.34 Внешний внд (а), частотные характеристики (б) и диаграммы направлен ности (в) микрофона U-87 Рис. 5.35. Внешний вид (а), частотные характеристики (б) и диаграммы направлен- ности (в) микрофона SM-69 88
Рис 5 36 Внешний вид (а), частотные характеристики (б), диаграммы направлен- ности (е) микрофона С 414ЕВ Микрофон С-414ЕВ. Этот конденсаторный микрофон фирмы AKG (Австрия) имеет вы- сокие электроакустические характеристики. С помощью переключателя можно выбирать од- ну из четырех характеристик направленности: круг, кардиоиду, гиперкардиоиду, косину- соиду (рис 5.36) Для получения высоких па- раметров мембрана микрофона изготовлена из специального позолоченного синтетического материала. Чувствительность микрофона в свобод- ном поле 6 мВ Па (с помощью переключателя чувствительность может уменьшаться на 10 н на 20 дБ); номинальный диапазон частот 20... ...20000 Гц: неравномерность частотной харак- теристики во всем диапазоне частот не превы- шает ±2,5 дБ, модуль полного выходного со- противления не превышает 150 Ом, уровень собственных шумов не более 29 дБ при изме- рении прибором с линейной частотной харак- теристикой и не более 17 дБ А при измерении прибором с характеристикой А; коэффициент гармоник на частоте 1 кГц не превышает 0,5 % при максимальном уровне звукового давления 138 дБ (160 Па); напряжение фантомного ис- точника питания 48 В; потребляемый ток 3 мА. Габаритные размеры микрофона 45х Х35Х141 мм, масса 360 г. Электретный микрофон МКЭ-4М Предназ- начен для записи, передачи и звукоусиления музыки и речи в студнях, театрах и концерт- ных залах Микрофон разработан взамен вы- пускавшегося ранее концертного микрофона МК 12. Внешний вид микрофона схематически по- казан на рис. 5.37.а. Неподвижный электрод микрофона выполнен из пресс-порошка с ар- мированным контактом и с металлизированной алюминием поверхностью, имеет ряд отверстий и взаимно перпендикулярных прорезей. Мем- брана изготовлена из фторопластовой планки, металлизированной с одной стороны алюмини- ем. Мембрана металлизированной стороной приклеивается токопроводящим клеем к ре- шетке, после чего поляризуется. Между мем- браной и неподвижным электродом с по- мощью прокладки образуется зазор 30±2 мкм. Односторонняя направленность микрофона достигается тем, что на мембрану действует звуковое давление как с передней, так и с тыль- ной стороны Необходимый для обеспечения односторонней направленности сдвиг фаз по- лучается подбором всех акустико-механичес- ких элементов капсюля. Главную роль при этом играет сопротивление щели между не- подвижным электродом и вкладышем. Предварительный усилитель микрофона представляет собой двухкаскадный усилитель с непосредственной связью между каскадами. Первый каскад собран на полевом транзис- торе КПЗОЗ, второй — на биполярном тран- зисторе КТ215Г Коэффициент передачи уси- лителя К„ =0,9, максимальное звуковое давление р = 39 Па; коэффициент гармоник 0,5 %. Электретный микрофон МКЭ-5. Исполь- зуется в качестве нагрудного «петличного> микрофона для записи и передачи речевых и 89
музыкальных программ (рис. 5.37, 6). Мик- рофон является ненаправленным. Его час- тотная характеристика приведена на рис. 5.38. Микрофон прикрепляется к одежде с помощью зажима типа «крокодил». Блок питания рас- полагают в руке или кармане. Электретный микрофон МКЭ-6. Имеет од- ностороннюю направленность и предназна- чен для записи и передачи музыки и речи. Может быть использован на напольной или настольной стойках, а также в jjyKax испол- нителя. На рис. 5.39, а приведена схема предвари- тельного усилителя микрофона МКЭ-6. Уси- литель собран на полевом транзисторе КПЗОЗВ по реостатно-трансформаторной схеме. Для получения равномерной частотной характе- ристики чувствительности микрофона усили- тель имеет подъем в области НЧ, который обес- печивается частотно-зависимой 7?С-цепью иа выходе усилителя. Блок питания микрофона состоит из выпря- мителя, собранного по мостовой схеме на дио- дах КД105, фильтра и стабилизатора, собран- ного на транзисторе П307. Питание микрофона возможно от батареи РЦ-53, встроенной в кор- пус микрофона. При этом обеспечивается срок службы не менее 500 ч. Частотная харак- теристика микрофона приведена на рис. 5.38; внешний вид — на рис. 5.37, в. Электретный микрофон МКЭ-7. Этот не- направленный в горизонтальной плоскости микрофон предназначен для записи речи и музыки. Микрофон состоит из капсюля и уси- лителя, помещенных в общий корпус. Рабо- Рис. 5.38. Частотные характеристики микрофо- нов МКЭ-5 (/), МКЭ-6 (2) и МКЭ-7 (<?) чей осью микрофона является любая прямая, лежащая в плоскости мембраны (в горизон- тальной плоскости) или перпендикулярная к его геометрической оси. Внешний вид микро- фона и поперечный разрез капсюля микрофона в упрощенном виде представлены на рис. 5.40. Неподвижный электрод 1 изготовлен из изоляционного материала и имеет ряд сквоз- ных отверстий и взаимно перпендикулярных прорезей. Со стороны мембраны неподвижный электрод металлизирован алюминием. В цент- ре неподвижного электрода 1 с помощью токо- проводящего клея закрепляется контакт 2. При этом обеспечивается электрическое соеди- нение контакта со слоем металла. Мембрана 3, изготовленная из металлизированной алю- минием электретной пленки ФЧМБ-2, при- клеивается к решетке 4 также токопроводящим клеем. Между мембраной и неподвижным электродом 7 с помощью изоляционной про- кладки 5 создается зазор 27. ..30 мкм. Усилитель микрофона МКЭ-7 выполнен на двух каскадах с непосредственной связью между каскадами на полевом транзисторе КПЗОЗВ и биполярном транзисторе КТ315Г по схеме с фантомным питанием (рис. 5.39, б). Микрофон МКЭ-10. Этот электретный нена- правленный микрофон (рис. 5.41, а) предназ- начен для применения в бытовой радиоаппара- туре. Номинальный диапазон частот 50... ...16000 Гц, чувствительность в свободном поле на частоте 1 кГц — 2 мВ/Па, модуль полно- го электрического сопротивления 250 Ом. Микрофон МКЭ-11СН. Этот стереофони- ческий электретный направленный микрофон (рис. 5.41, б) предназначен для записи музы- ки и речи на бытовые стереофонические маг- нитофоны. Микрофон представляет собой систе- му двух кардиоидных капсюлей, расположен- ных в одном корпусе и развернутых под углом 180° относительно друг друга. Номинальный диапазон частот 50... 16 000 Гц чувствитель- ность каждого канала 2,5 мВ/Па на частоте 1 кГц; средний перепад чувствительности фронт/тыл каждого канала 15 дБ; модуль пол- ного электрического сопротивления 200 Ом. Микрофон МКЭ-15. Этот «ручной» микро- фон с кардиоидной характеристикой направ- ленности (рис. 5.42) предназначен для звуко- записи и передачи музыкальных и речевых программ в студиях, театрах, концертных залах и открытых пространствах. 90
VD1 и VDZ-K^IOZE 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- те 1 кГц; отклонение частотной характерис тики 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- ленный собственными шумами микрофона от- носительно звукового давления 2 10 5 Па, не более 25 дБ. Габаритные размеры микро- фона, 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 рофон, 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. 5.42, в, блока питания — на рис. 5.42, г. Микрофон состоит из капсюля с электретной мембраной, предварительного усилителя, вы- полненного 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- фона содержит фильтр, снижающий чувст- вительность на низких частотах 50...150 Гц на 3...5 дБ. Конструкция микрофона и электрическая схема усилителя обеспечивают малую воспри- имчивость к помехам, создаваемым рукой исполнителя Для обеспечения малой воспри- имчивости к воздушному потоку, возникаю щему 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- рофон фирмы «Сони» (Япония) с круговой характеристикой направленности имеет номи- нальный диапазон частот 40. .14 000 Гц; эф- фективный уровень номинального выходного напряжения —54 дБ, модуль полного выход- ного сопротивления 250 Ом (рекомендуемое значение сопротивления нагрузки 3 кОм); на- пряжение питания предварительного усили- теля 1,5 В; потребляемый ток 0,13 мА; вре- мя работы батареи до замены не меиее 3 000 ч. Микрофон МКЕ-212 типа ПЗМ. Микро- фоны 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- рофоны укрепляются непосредственно на по- верхности пола, стены, щита и поэтому воспри- нимают давление звуковых волн только с од ной полусферы. В качестве ПЗМ-микрофонов чаще всего используют электретные конденсаторные микрофоны, к которым относится и микрофон МКЕ-212. Номинальный диапазон частот этого микрофона 20...20 000 Гц, чувствительность по свободному полю 20 мВ/Па; модуль пол- ного выходного сопротивления 1 кОм. ПЗМ-микрофоны в последние годы полу- чили широкое распространение. В таких мик- рофонах электретная мембрана монтируется либо напротив диафрагмы, но почти запод- лицо с жесткой поверхностью, либо непосред- ственно на поверхности, направленной на ис- Рис. 5.40. Внешний вид (а) и поперечный раз- рез (б) микрофона МКЭ-7 91
Рис. 5.41. Микрофоны МКЭ ПСН (б) точник звука Если преобразователь гради- ента давления смонтирован таким образом, что его главная ось параллельна поверхности, к которой он крепится, то в этом случае можно получить любую характеристику направлен- ности, например, полукардиоиду или полуги- перкардиоиду. В обычных условиях, когда микрофон уста- навливается на стойке, звук достигает мик- рофона по различным путям непосредствен- но от источников звука, а также отражения от пола, потолка н стен. В результате за счет интерференции звуковых волн частотная ха- рактеристика получается крайне неравномер- устанавливают очень близко к источнику зву- ка («ближняя микрофония»). Ближняя микро- фония приводит к «полимикрофонии», при ко- торой для записи звука используют большое число микрофонов. При этом помехи возника- ют уже между собственными выходными сиг- налами микрофонов. Более того, в этих слу- чаях необходимо добавлять искусственную реверберацию. В результате такие звукоза- писи часто воспринимаются как неестествен- ные. Для достижения большей естественности звучания используют главным образом два метода: применение микрофонов типа «ис- кусственная голова» н ПЗМ-микрофонов. В случае использования ПЗМ-микрофоиов устра няются эффекты гребенчатого фильтра, так как микрофоны крепятся к жесткой поверх- ности, например к полу. Отражения от акус- тически жесткой поверхности вызывают уве- личение давления, которое достигает 6 дБ Способ установки микрофонов непосредствен- но на поверхности влияет также на соотноше- ние между прямым и отраженным звуками. Так как отраженные звуковые волны вос- принимаются ПМЗ-микрофоном только под углом 2л стерадиан, то отношение прямого звука к отраженному возрастает на 3 дБ. Обычно ПМЗ-микрофоны состоят из пре- образователя, который реагирует на изменение звукового давления н монтируется заподлицо В) Рис. 5.42 Микрофон МКЭ-15: внешний вид; б —частотная характеристика; в — схема усилителя; г — схема блока питания 92
Рис. 5.43. Размещение и характеристики ПЗМ микрофона Рис. 5.44. Второй вариант размещения ПЗМ- микрофопа и его характеристики стене). Характеристика направленности тако- го ПЗМ-микрофона представляет собой полу- сферу, а его коэффициент направленности ра- вен 3 дБ. Микрофон МКЕ-212 выполнен в виде ми- ниатюрной малошумящей электретной мем- браны диаметром 10 мм с воспринимающим отверстием диаметром всего лишь 0,5 мм, ко- торая 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- ветствует частотной характеристике мембра- ны. На рис. 5.43, а приведены диаграммы на- правленности ПЗМ-микрофона, когда он ук- реплен таким образом, что его ось перпенди- кулярна пластине (рис. 5.43, б) и он установ- лен на сцене прямо перед исполнителем. Из приведенных на рис. 5.43, в частотных ха- рактеристик чувствительности микрофона МКЕ-212 для нескольких углов падения вид- но, что увеличение давления на разных час- тотах неодинаковое. Во многих случаях коэффициент направ- ленности 3 дБ недостаточен для получения желаемого качества звукозаписи, особенно при стереофонии. ПЗМ-микрофоны с большим коэффициентом направленности можно полу- чить при использовании кардиоидных пре- образователей. Если кардиоидный преобразо- ватель с малыми размерами, которыми можно пренебречь по сравнению с длиной звуко- вых волн, помещен в граничной зоне, то микрофон имеет диаграмму направленности, главная ось которой расположена параллель- но поверхности, а составляющая градиента давления меньше составляющей градиента давления самого преобразователя или равна Рис. 5.45. Системы использования ПЗМ-микрофонов 93
ей. Коэффициенты направленности преобразо- вателя и всей конструкции ПЗМ-микрофона при этом складываются. При использовании в ПЗМ-микрофоне кардиоидного преобразо- вателя можно получить коэффициент направ- ленности Q = 5-|-3—8 дБ. Характеристи- ка направленности при этом имеет форму по- лукардиоиды (рис. 5.44, а). Расположение микрофона на поверхности показано на рис. 5.44, б, его частотные характеристики чувствительности при различных углах па- дения звуковых волн — на рис. 5.44, в. В настоящее время разработаны конструк- ции, 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 1 — система Блюмлейна, 2 — XY (или Лаудридсена ), 3 — MS, 4 — Фолкнера-Блюм- лейна, 5 — ORTF, 6 — NOS, 7 — DIN, 8 биноуральная или система «искусственная го- лова». Каждая из этих конструкций сближен- ных ПМЗ-микрофонов состоит из трех основ- ных частей: двух V-образных панелей, обра- зующих вместе чаще всего форму ромба, и третьей панели, разделяющей этот ромб. При этом V-образная панель с шарниром посреди- не образует как бы «крылья», которые могут сгибаться Сгибая эти крылья вперед и назад, сдвигая или раздвигая V-образные панели, можно получать практически бесконечное ко- личество характеристик направленности. 5.6. НЕКОТОРЫЕ ДРУГИЕ ТИПЫ МИКРОФОНОВ Помимо рассмотренных типов микрофонов широкое преминение находят также микрофо- ны угольные, электромагнитные, остронаправ- ленные, радиомикрофоны и др., а также ларин- гофоны. Рассмотрим некоторые из них. Угольные микрофоны МК-10 и МК-16. Это — наиболее распространенные в СССР типы микрофонов, применяемых в телефонии, переговорных устройствах, радиопередатчи- ках и т. п. Конструкция капсюля МК-10 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- золоченный подвижный электрод, 5 — непо- движный электрод; 6 — кольцо—прокладка, ограничивающая камеру с угольным порош- ком; 7 — крышка с тремя звкукоприемными отверстиями общей площадью S, 8 — анти- морозная тарелочка, защищающая эти Отвер- стия на морозе от оседания на них паров, выходящих изо рта говорящего; р exp (/со/)— звуковое давление, действующее на вход мик- ротелефонной трубки; т1 — масса воздуха в отверстиях трубки; сг — гибкость воздуха в объеме между отверстиями и диафрагмой мик- рофона; т2 — масса воздуха в звукоприем- ных отверстиях; с2 — гибкость воздуха в объе- ме между звукоприемными отверстиями и диафрагмой, ти, г0, с0 — масса, активное со- противление и гибкость диафрагмы Капсюль МК-10 выпускается в трех моди- фикациях, различающихся между собой элек- трическим сопротивлением и условиями пи- тания. 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: 1 — корпус; 2 — крышка с звукоприемными отверстиями общей пло- щадью S; 3 — диафрагма; 4 — подвижный электрод; 5 — держатель неподвижного элек- трода 6,7 — камера для угольного порошка; 8 — кольцо с отверстиями, затянутыми шел- ком, разделяющее объем под ним и объем под диафрагмой Как видно из рисунка, капсюль МК-16, предназначенный в основном для ап- паратов ЦБ, имеет некоторые конструктив- ные отличия от капсюля МК 10 Важнейшие из них — форма палладированных электро- дов, камера с угольным порошком, которая обеспечивает большую стабильность работы микрофона при его угловых перемещениях, так как при любом из них контакт между элек- тродами через порошок не разрывается. Воз- дух под диафрагмой делится на две части, сое- диняющиеся между собой через алюминиевое кольцо с отверстиями, затянутыми шелком, Рис. 5.46. Капсюль (о) и эквивалентная электрическая схема (б) капсюля МК-10 94
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 резонансные пи- ки. В результате становится более равномер- ной 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- венно 100 и 50 мА. На рис. 5.47, б обозначено: рехр (j<o/) — звуковое давление, действую- щее на вход микротелефонной трубки; т1 — масса воздуха в ее отверстиях; fj — гибкость воздуха в объеме между отверстиями и кап- сюлем микрофона; т1, т2 — масса воздуха в звукоприемных отверстиях; с2 — гибкость воздуха в объеме между звукоприемными отверстиями и диафрагмой капсюля микро- фона; г0, т0, с0 — активное сопротивление, масса и гибкость диафрагмы; с3 — гибкость воздуха в объеме под диафрагмой; г3 и т3 — активное сопротивление и масса воздуха в отверстиях в кольце, затянутых шелком; с4 — гибкость воздуха в объеме под кольцом с отверстием. Частотные характеристики микрофонов МК-10 и МК-16 приведены иа рис. 5.48. Электромагнитный микрофон ДЭМШ. Из электромагнитных микрофонов наиболее рас- пространен в СССР микрофон ДЭМШ. Его устройство изображено на рис. 5.49, а, где 1 — цилиндрический магнит, 2 — магнито- провод, 3 — диафрагма. Звуковое давление через отверстия в маг- нитопроводах 2, прилегающих к цилиндричес- ким магнитам 7, воздействует с двух сторон на диафрагму 3. Последняя приходит в коле- бания, приближаясь попеременно то к одному, то к другому магнитопроводу. Это соответст- венно вызывает увеличение магнитного потока то Фх, то Ф2. Благодаря этому в обмотках возникают ЭДС одинаковой величины, но раз- ного направления. Однако вследствие того что эти обмотки намотаны в противоположных направлениях, ЭДС складываются. Анало- говая схема микрофона ДЭМШ изображена на рис. 5.49, б, где: р^хр (/со/) и р2ехр — звуковые давления, действующие на отверстия в магнитопроводах площадью S; /п1( т2 — массы воздуха в отверстиях магиитопровода; Ci. с2 — 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- ляется шумозащищенным. Действительно, применение микрофона в условиях шума весь- ма эффективно. Частотный диапазон микро- фона составляет всего лишь 300...3000 Гц (его частотная характеристика изображена иа рис. 5.49, в, а характеристика направленнос- ти — на рис. 5.49, е); чувствительность мик- рофона иа частоте 1000 Гц не менее 7,7 мВ/Па, а средняя по диапазону — 3,3 мВ/Па; чув- ствительность микрофона иа номинальной на- грузке 600 Ом иа частоте 1000 Гц не менее 0,44 мВ/Па, а средняя по диапазону — 0,22 мВ/Па; модуль полного электрического сопротивления иа частоте 1000 Гц колеблет- Рис. 5.48- Частотные характеристики микрофо- нов МК-10 и МК-16 95
Рис. 5.49. Электромагнитный микрофон ДЭМШ и его характеристики ся в пределах 400... 1000 Ом. Габариты мик- рофона: 0 23 X II мм; масса 14 г Кроме микрофона ДЭМШ, довольно шире ко применяют в аппаратуре связи микрофон МЭМ-60. Его частотный диапазон составляет 250.. 3000 Гц, а чувствительность на номи- нальной нагрузке 600 Ом на частоте 1000 Гц достигает 10 мВ/Па; модуль полного электри- ческого 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- баритные размеры микрофона: 176 X 60 X X 80 мм, масса 400 г. Пьезоэлектрические микрофоны. В СССР такие микрофоны выпускают только для ком- плектации слуховых аппаратов; прямоуголь- ной формы — для аппаратов «Слух» и «Крис- талл» (22,5 к 16 >' 6 мм) и круглые —для Рис. 5.50. Внешний вид (а) и принцип уст- ройства (б) микрофона МД-74 аппарата «Звук» (0 35 X 6 мм). Масса их — 10 12 кг. Принцип устройства этих микрофонов за- ключаются в том, что тонкая дюралиюминие- вая диафрагма соединена механически с би- морфным пьезоэлементом. При колебаниях диафрагмы на обкладках пьезоэлемента воз- буждается ЭДС. Емкость пьезоэлемента со- ставляет 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- ляру и недостаточно удовлетворительную экс- плуатационную надежность — хрупки, под- вержены воздействию влажности и темпера- туры, которая не должна превышать 45 °C. Остроиаправлеииые микрофоны. Отечест- венный остронаправленный микрофон МД-74 состоит из собственно микрофона динамичес- кого 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- ные промежутки ряд отверстий Для компен- сации падения чувствительности микрофона на высших частотах из-за большого поглоще- ния их в трубке вокруг каждого из отверстий устанавливают концентраторы — рупорки. Размеры их подобраны так, чтобы обеспечить подъем частотной характеристики на высших частотах диапазона до 10.. 12 дБ 96
Осгрииаправленный микрофон MKE-802N фирмы «Зеннхайзер» (ФРГ) состоит из элек- третного одностронненаправленною микро- фона и примыкающей к ней трубы. Эта труба имеет отверстия, по своей длине закрытые звукопоглощающим материалом, поглоще- ние которого мало в начале, у входа трубы, и нарастает к ее концу, примыкающему к мик рифону. 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- вительность наибольшая. На тех же частотах, где длина трубы сравнима с длиной волны, действие трубы проявляется в том, что увели- чивается чувствительность и обостряется на- правленность микрофона. Фирма Зеннхайзер» выпускает также остро- направленные микрофоны МКН-416, МКН-816 и др. Внешний вид, частотная характеристика и диаграммы направленности суперкардиоид него микрофона МКН-416 приведены на рис рис. 5.51. Радиомикрофоны. В практике звукоуси ления довольно большое распространение по лучили радиомикрофоны. Их преимущество перед обычными микрофонами в том, что при работе с ними исполнитель (оратор, певец и т. п.) ие связан при своем перемещении по эст- раде или сцене микрофонным кабелем. При- меняя радиомикрофон, исполнитель может с-ободно перемещаться, так как микрофон, который исполнитель держит в руке или ко- торый прикрепляется к одежде, снабжен ми- ниатю рным радиопередатчиком, работающим на находящийся поблизости (например, в по- мещении аппаратной) радиоприемник, вы ходное напряжение которого уже использу- ется обычным образом Для примера рассмотрим кратко радио- микрофон 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- способление для крепления к одежде испол нителя. Антенной передатчика является гиб- кий 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- менного тока через специальный блок пита- ния или от батареи элементов типа 343 с на- пряжением 12,8 В. Время непрерывной ра- боты 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- нов, входящую в состав студийного обо- рудования «Перспектива». Эта система радио- микрофонов предназначена для работы в со- ставе звукового оборудования АСБ-ЦТ с ис- пользованием радиоакустических систем не- посредственно в студии. Радиомикрофоны являются равноправными источниками зву- ковых сигналов, поязволяя исполнителям сво- бодно 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- датчики ПР ДМ-13 — 4 шт., переносные пере- датчики ПРДМ-14— 4 шт., стационарные при- емники ПРМ-14 — 4 шт. Передатчик ПРМД 13 совмещен с динами- ческим микрофоном МД-79 или электретным микрофоном МКЭ-8 (рис. 5.52, а). Передат- чик ПРДМ-14 карманного типа работаете пет- личным электретным микрофоном МКЭ-5 (рис. 5.52, б). Комплект аппаратуры «передатчик—при- емник» рассчитан на работу на одной из четы- рех фиксированных частот: 161,1; 163,75; 166,5 или 167,15 МГц. Можно одновременно вести работу на двух каналах с разносом не сущих частот 1,5 МГц. С выхода приемника звуковой сигнал поступает на шкаф комму тации С-1481 и далее на пульт звукорежиссе- ра П-71 или на шкаф связи С-1483 (в случае Рнс. 5.51. Внешний вид (и), частотная характеристика (б) и диаграмма направлен- ности микрофона МКН-416 (в) 4 Зак. I6W 97
Рис. 5.52. Системы радиомикрофонов коммутации радиомикрофона помощнику ре- жиссера). Блок приемника ПРМ-14 с источником пи- тания стационарно устанавливают в шкафу радиосвязи и радиомикрофонов С-1482. При- емные антенны размещают на стенах студии и с помощью кабелей соединяют с приемника- ми. Передатчики раздают актерам, выступаю- щим в студии. Передатчик ПРДМ-13, совме щенный с микрофоном, располагают в ру- ке исполнителя, карманный передатчик ПРДМ-14 — в кармане или подвешивают на ремешке и подсоединяют к микрофону с по- мощью 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- рагма. При разговоре колебания от мышц гор- тани человека передаются корпусу ларинго- фона. Вследствие инерции электродов они на- чинают перемещаться относительно корпуса. Причем из-за различной массы электродов и различной упругости диафрагм эти переме- 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- мах ларингофона возникает напряжение звуковой частоты. Применение электродов с различными массами и диафрагм с различ- ными упругостями приводит к тому, что каж- дая из этих колебательных систем имеет различные значения резонансной частоты, что расширяет диапазон передаваемых частот и улучшает равномерность частотной характе- ристики чувствительности. Под последней в данном случае понимается отношение разви- ваемого напряжения к колебательной скорос- ти 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 1 — посто- янный магнит; 2 — полюсные наконечники с надетыми на них катушками; 3 — диафраг- ма, 4 — якорь; 5 — корпус. При разговоре колебания от мышц гортани передаются кор- пусу. Благодаря инерции магнитной системы она начинает перемещаться при этом относи- тельно якоря, что изменяет магнитный поток проникающей катушки, вследствие его на за- жимах последних развивается напряжение звуковой частоты. Частотные характеристи- ки ларингофонов приведены на рис. 5.53, в. Практически все ларингофоны использу- ются попарно, будучи прижаты к горлу с двух сторон его Электрически при этом они ссели няются последовательно Параметры основных типов отечественных микрофонов приведены в табл. 5.4, а неко- торых типов зарубежных микрофонов в табл 5.5. 5.7. ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ МИКРОФОНОВ На каждый микрофон ведется эксплуа- тационный паспорт и журнал учета, в кото- рые вносятся результаты периодических ис- пытаний, замеченные неисправности, меры, предпринятые к их устранению и их резуль тэты. Периодические испытания микрофонов заключаются в том, что один раз в полгода измеряют характеристики микрофонов и сли- чают 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- ния работы микрофона или выхода его из строя — нарушение электрических контак- тов, большей частью в разъеме или во встро- енных усилителях конденсаторных и электрет- ных микрофонов. Ремонт, связанный с этими причинами, возможен лишь при наличии ква- лифицированного персонала, имеющего опыт работы с радиоэлектронными схемами. Устра- нение же механических повреждений подвиж- ной системы силами эксплуатирующих орга- низаций производить не рекомендуется, так как полноценно это может быть выполнено лишь в заводских условиях. Общая надеж- ность микрофонов характеризуется иаработ кой на отказ, которая нормируется в техни- ческих 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 чах 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- тичной компенсации выходных напряжений микрофонов Полярность микрофонов проще всего опре- деляют следующим образом. Какой-то мик- рофон 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- рого включен индикатор (стрелочный, осцил- лограф и т. п.). Далее последовательно как можно ближе к опорному устанавливают все остальные микрофоны парка и включают так- же последовательно на другой микрофонный вход тракта. Следует следить за одинаковым включением их разъемов. Затем при каком-ли- бо звуке перед парой микрофонов (например, хлопок) замечают показание индикатора на выходе. Если микрофоны сфазированы, то по- казания индикатора не должны снижаться при введении микшеров друг за другом, а на слух не должна изменяться тембровая окрас- ка голоса. При несфазированных микрофонах снижается уровень громкости и замечается от сутствие низких частот. Можно проверять фазировку и с помощью специальных прибо- ров — стереогоннометров, например, ЧЭЗ- 910, Г-2 и др При эксплуатации микрофоны укрепляют на подставках, стойках, треногах или шта- тивах различной длины: коротких, если мик- рофон устанавливают на столе или кафедре, и длинных при установке на полу; иногда применяют выдвижные (простые и телескопи- ческие) штативы. В больших студиях микро- фоны подвешивают на «журавли» — специ- альные передвижные устройства, позволяю- щие перемещать микрофоны выше головы ис- полнителя в различные точки студии даже во время передачи. Для репортажных условий микрофоны снабжают ручкой или «удочкой», позволяющей ведущему передачи держать микрофон на рас- стоянии до 1.. 1,5 м Некоторые виды таких устройств показаны на рис. 5.54. Микрофоны крепят к соответствующему устройству либо за корпус с помощью специ- ального обжима или хомута, либо резьбовым соединением В последнем случае в корпусе микрофона имеется выступ (хвостовик) с резь- бой. ввинчивающейся в стойку или другое подобное устройство. Соединение может быть 4* 99
Таблица 6.4. Параметры отечественных микрофонов Тип микрофона Номиналь- ный диапа- зон частот, Гц Неравномер- ность частот- ной характе- ристики, дБ Внутреннее сопротивле- ние. Ом Чувстви телъность холостого хода на частоте 1 кГц. мВ/Па Средняя разность уровней чувстви тельности «фронт- тыл», дБ Направлен- ные свойства Габаритные размеры, мм Масса, кг Основное назначение Электродинамические микрофоны МД-52 А 50. . .16000 12 250 1,2 12(6) он 0 32X120 0,2 Универсальный МД-52Б 50.. 15000 12 250 1,2 12(6) он 0 32X1)4 0,17 Для любительской зву- козаписи МД-52Б-СН 50. . .15000 12 250 1,2 12(6) он 325X 270X190 0,17 Стереофонический МД-63 60.. .15000 20 250 1 . 1 — НН 0 22X68 0,125 Нагрудный или петлич- ный МД-63Р 60. .15000 20 250 1 .1 — НН 0 22X68 0,05 Для радиомикрофонов МД-66 100. .10000 20 250 2 12(6) он 0 37X92 0.15 Речевой МД-71 50.. .15000 8 250 1.5 — НН 0 33X116 0,17 Для акустических изме- рений МД-74 50.. .10000 20 250 1,2 12 он 0 71X810 0,5 Для приема на фоне шумов, репортажа МД-78 t 50.. .15000 20 (на 1 м) 8(на 0,1 м) 150 2 12(6) он 0 52X180 0,32 Для солистов эстрады, ручной с амортизиро- ванным капсюлем МД-200 100.. .10000 12 250 1.5 12(6) • он 0 35X115 0, 15 Для любителей звуко- записи МД-201 100.. .10000 12 250 1.5 — НН 55X31,5X41 0,1 То же 82А-5ММ МД-80 50. . 50. . .10000 .12000 10 22 250 200 4 2 18(9) 12(6) он он 0 44X135 0.35 Универсальный То же МД-86 40. . 15000 20 150 1.2 Ле 15 нточиые м он икрофоны 0 24 X206 0,35 » МЛ-19 50. .16000 14 250 2 15 ОН 140X46X41 0,55 Универсальный студий- ный МЛ-51 40. .16000 10 250 К( 1.6 жденсатор ные элект дн ретные микр 0 52X180 офоны 0.60 То же МК-6 20. .40000 5 250 1,1 — НН 0 55X95 0 05 Для акустических изме- рений 19 А 31 20. .20000 8 80 22 — он 44X25X190 0,300 Для использования в ки- нематографии 19 А 31 20. .20000 8 80 25 — дн 44X25X190 0,300 Для использования в ки- нематографии КМС-19-01 (малогабаритный) 20. .20000 8 80 16 — он 0 21X158 0,110 То же КМС-19-02 20. .20000 8 80 20 -— он 0 39X188 0,200 » КМС-19-03 (ветрозащищенный: 20. .20000 8 80 20 — он 0 57X198 0,240 »
KMC-19-04 (музыкальный) KMC-19-05 20. 20. .20000 .20000 8 8 80 80 20 45 — ОН осн 0 47X190 0 24X850 0,280 > KMC-19-07 20. .20000 8 80 9 — НН 0 21X158 0,110 0,190 > KMC-19-08 20. .20000 8 80 10 — дн 0 24X203 > KMC-19-09 20. .20000 8 80 30 — он — — КМКЭ-1 20. .20000 8 80 17 — он 0 32/23X194 0,250 > MK-12 50. .15000 9 600 11 20(10) он 0 22X142 0,115 Для передачи и записи MK-13M 30. .18000 6 (в режиме 600 5,5 12(10) НН 46X22X98 0,16 музыки и речи Для передачи музыки и MK-15 50. .15000 кардиоиды в диапазоне 50. .15000 Ги) 12 600 5,5 10 он дн ОН в верти- 58X58X70 0,21 речи с дистанционным выбором характеристики направленности Для передачи и записи MK-16 20. .40000 5 250 2 (фронт/ 90°) кальной плоскости, НН в гори- зонтальной плоскости НН 0 13X129 0,14 музыки и речи То же МКЭ-2 50. .15000 15 200 1,5 15 ОН 0 21X146 0,12 Для комплектации маг- МКЭ-3 50. .15000 10 2000 3,5 __ НН 0 14X22 0,08 нитофонов Для встраивания в маг- 19 A 31 20. .20000 8 80 20 НН 44X25X190 0.3 нитофоны Для использования в ки- MK-18 80. .16000 8 200 16 15 НН 46X35X187 3,5 (ком- нематографии Универсальный MK-19 50. .16000 6 10 6 200 16 15 ОН ДН ОН 38X48X191 плект) 3,5 (ком- То же МКЭ-4М МКЭ-5 50. 50. .15000 .16000 9 12 200 250 18 2,5 20 он нн 0 21X157 16X16X42 плект) 0,013 » Нагрудный, петличный МКЭ-6 50. .16000 18 250 3 18 он 48X195 0,115 Универсальный МКЭ-7 МКЭ-10 МКЭ-11СН _ МКЭ-15 •o — Примечание. H 50...15000 50...16000 50...16000 50...16000 H — неиапраале 12 иный, ОН — о; 250 20 IHOCTOpo 8 2 2.5 1,5 ннеиаправлс 10 (фронт/— 90°) 15 18 ‘ННЫЙ, ОСИ ОН —в вер- тикальной плоскости, ДН —в го- ризонталь- ной плос- кости НН ОН ОН — остронаправ 58X66 55X216 ленный; ДН — двустор 0,17 0,23 оинеиаправ Для записи типа <3а круглым столом» Для бытовой аппаратуры Стереофонический для бытовой аппаратуры Универсальный ленный.
Таблица 5.5. Параметры некоторых типов зарубежных микрофонов Тип микрофона Фирма (страна) Номинальный диапазон частот, Гц Неравномерность час- тотиой характерис- тики, дБ Внутрен- нее сопро- тивление. Ом Чувстви- тельность на частоте 1 кГц при холостом ходе, мВ/Па Сопротив- ление но- минальной нагрузки, Ом Разность чув- ствительное тей между фронтом и тылом, дБ Направленные свойства Габаритные размеры, мм Масса, кг Основное назначение н особенности к к X Ч V сх U Е к 3 3 S S £ Электродинамические микрофоны D-17 AKG 15.. .14000 20 200 2,0 1000 1,8 8 ОН 0 43,5X106 0,3 Студийный, рече- D-19 (Австрия) То же 30.. .16000 18 60/200 1,0/1,8 150/400 15 10 ОН 0 38X152 0,16 вой То же D-20B 30.. .18000 14 60/200 0,9/1,6 300/1000 18 14 ОН 190X74X54 0.63 Универсальный D-25 В 30.. .18000 11 60/200 0,9/1,6 300/1000 18 14 ОН 202X155X75 0,85 Для трансляции D-24 > 30.. .20000 18 60/200 1,0/1.8 150/500 20 10 ОН 0 40X156 0,18 Студийный D-30 30.. .16000 12 75/150 1,2 — 20 — ОН дн НН 260X87X63 1 Универсальный D-36 > 30.. .16000 12 75, 150, 500 1,2 — 20 — он, осн дн, НН 212X87X63 0,95 То же D-45 30.. .16000 12 75, 150, 500 1,2 — 20 он, осн, дн, НН 200X150X 88 1,2 Для трансляций D-200 30. .17000 8 250 1,4 500 — 10 он 0 40X185 0,3 Универсальный, двухполосный D-202 » 20.. .18000 7 200 1,8 500 20 —— он 0 51X210 0,3 То же D-224 20. .20000 5 250 1,3 500 — 14 он 0 25X195 0,28 » D-501 > 50. .15000 22 200 2,2 400 —, 6 он НН 0 55X175 0,34 Репортажный, с выключателем на корпусе Д-503 50. .15000 22 200 2,2 400 — 6 он 0 55ХН5 0,44 Репортажный с гибким креплени- ем Д-505 50. .15000 30 200 2 300 — 12 он 0 55X175 0,34 То же, специаль- ный для работы с близкого расстоя- ния Д-507 » 50. .15000 30 200 2 300 — 12 он 0 55ХН5 0,44 То же Д-66 50. .15000 22 200 2,2 400 10 он 45X75X120 0,29 Для стереофони- ческой записи по системам MS и XY
D-77 A AKG (Австрия) 80.. .13000 15 200 AMD-460 «Тесла» (ЧССР) 50.. 18000 14 200 MD-7 «БЕАГ» (ВНР) 100.. .10000 — 300 MD-14 То же 100.. 15000 — 200 MD-21 » 80.. 15000 200 MD-441 «Зеннхаи- зер» (ФРГ) 30. . .20000 8 200 F-115 «Сони» (Йпония) 40.. .12000 10 600 C-12A AKG (Австрия) 10.. .20000 5 200/50 C 24 То же 30.. .20000 15 200/50 C-28C » 30.. .18000 7 200/50 C-29C » 30.. .18000 7 200/50 C-30C » 30.. .18000 7 200/50 C-60 » 30.. 18000 7 200/50 C-414 AKG (Австрия) 20.. 20000 5 150 M 269C «Нойман» (ФРГ) То же 30.. .16000 7 200/50 KM-63 (64) 40.. .18000 200/50 KM-66 » 40.. 18000 — 200/50 KM-88 » 40.. .16000 200/50 U 47 » 35.. .15000 8 200/50 U-48 » 35.. .15000 8 200/50
2,2 13 5 он 0 58X138 0,41 Для стереофони- 1.2 1,5 600 14 8 он он 38X53X77 0,22 ческой записи по системе АВ Для озвучания залов Для любитель- 1,5 — 13,5 — он 0 49X60 0,11 ских магнитофо- нов Репортажный, ре- 1,5 — 15 — он 0 47X200 0,15 чевой Универсальный 2 — — — осн 257X33X36 0,45 Студийный 1 600 — — НН 0 65X250 0,27 То же Конден- 4 саторные; 500/150 никроф 25 оны 10 он дн НН он 40X40X195 0,19 > 10 20 10 0 43X 255 0,65 > 13 500/150 20 10 дн он 0 26X174 0,22 Для трансляций 12 500/150 20 10 он 0 26X174 0.22 То же 10 500/150 20 10 он 0 26X174 0,22 Студийный 8 500/150 20 10 он 0 18X100 0,065 То же 6 600 — — он, осн, 45X35X141 0,36 Студийный 10/15,5 1000/250 20 8 дн, НН он, дн, 0 21X152 0,12 > 9 — — — НН он 0 21X124 0,12 То же, есть пере- 10 он, дн 0 48X175 0,21 ключ ат ель для по- нижения чувстви- тельности на 10 дБ То же, переключа- 6,5 2000 он, дн.нн 0 21X170 0,13 тель направленно- сти находится на корпусе То же 25 — — — он 0 63X240 0,7 Студийный 14 20 — — — он, дн 0 63X 240 0,7 »
Окончание табл 5.5 Тип микрофона Фирма (страна) Номинальный диапазон частот, Гц Неравномерность час- тотной характеристи- ки, дБ Внутрен- нее сопро- тивление, Ом Чувстви- тельность на частоте 1 кГц при холостом ходе, мВ/Па Сопро- тивление номиналь- ной наг- рузки, Ом Разность чув- ствительное- тей между фронтом и тылом, дБ Направленные свойства Габаритные размеры, мм Масса, кг Основное назначение и особенности средняя , л ч S S S X S к я X U-64 «Нойман» (ФРГ) 40. .18000 200/50 11 — — он 0 21X124 0,12 То же, есть пере- ключатель для по- нижения чувстви- тельности на 10 дБ U-67 То же 30. .16000 5 200/50 22 13 — — 10 ОН, НН 0 56 X 201 0,54 Студийный U-87 U-89 > 40. 40. .16000 .18000 8 8 200 150 8 8 1000 1000 — он,нн,дн НН, он, осн, дн 0 0 56X200 46X185 0,5 0,4 Студийный То же » SM-21C 40. .15000 200/50 10 — — он.дн.нн 0 28X 200 0,5 > SM-69 » 40. .15000 200/50 15 он, дн, НН 0 28X200 0,5 Стереофонический студийный, пере- ключатель харак- теристик направ- ленности находит- ся на блоке пита- ния SM-69 30. .20000 200/50 15 — — ОН, ДН, НН 0 48X254 0,45 То же USM-69 > 40. .16000 8 150 10 1000 — он, осн, ДН, НН 0 48X292 0,51 > 4145 «Брюль и Кьер» (Дания) То же 3. .18000 4 — 50 — —, НН 0 24X19 — Измерительный 4133 4,5. .40000 4 — 12,5 НН 0 13X13 — То же 4135 > 4,5.. 100000 4 — 4 —— — НН 0 7ХЮ,5 — ЕСМ-51 «Соии») (Япония) 40. .14000 10 250 2 3000 — осн 0 14X486 0,09 Репортажный из- бирательный МКЕ-802 Зеннхай- зер (ФРГ) 50. .15000 12 7 200 13 5 300 — осн 0 22X292 0,185 Любительская запись звука МКН-416 То же 40. .20000 12 8 20 400 — осн 0 19X235 0,16 Специальный из- бирательный МКН-816 МКЕ-212 > > 40. 20. .20000 .20000 10 10 10 1000 40 20 600 4700 — осн НН 0 19X555 0 10 0,375 То же ПМЗ-микрофоны Примечание. НН — ненаправленный; ОН — односторониенаправленный; ОСН — остроиаправленный; ДН —- двусторониенаправленный.
Рис. 5.54. Устройства для крепления микрофонов жестким или амортизированным специальны- ми резиновыми прокладками и шайбами. Час- то механическое соединение комбинируется с шарниром, позволяющим менять угол накло- на микрофона в пределах ±45° от горизон- тали. Для микрофонов небольшого размера применяют также стойки типа «гусиная шей- ка», дающие возможность менять положение микрофона в более широких пределах. На рис. 5.55 показаны распространенные виды крепления и электрического соедине- ния микрофонов. При эксплуатации микрофонов необходимо применять меры для предохранения от по- вреждений кабелей, которые приходится вре- менно прокладывать в студиях Микрофоны очень чувствительны к ма- лейшим вибрациям, сотрясениям, толчкам, ко- торые могут возникать в помещении, где уста- новлен микрофон, и передаваться через ограж- дающие поверхности (строительные конст- рукции) и соприкасающиеся с микрофоном предметы (например, стол или штатив). По- этому микрофон должен быть надежно амор- тизирован. Особенно тщательно следует амор- тизировать микрофоны, установленные иа «журавлях», и те, которые необходимо пере- мещать (например, в кино и телестудиях при панорамировании). Конденсаторные микрофоны во время ра- боты находятся под напряжением, поэтому двигать, переставлять и переносить их ре- комендуется при отключении питания. Рас- полагать конденсаторные и ленточные мик- рофоны, их соединительные кабели следует возможно дальше от проводов и кабелей сети переменного тока. Использование микрофонов любого типа иа открытых местах или в больших театраль- ных и концертных залах сопряжено с воз- можностью появления значительных шумо- вых помех Такие помехи вызываются воздуш- ными потоками от ветра, сквозняков, дви- жения 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- коприемиую часть микрофонов Имеется мно- го разновидностей таких экранов, начиная от простого обертывания микрофона несколь- кими слоями тонкой и акустически прозрач- ной ткани, чаще всего шелковой или капро- новой, и кончая специальными конструкция- ми противоветровых экранов. На рис. 5.56 показаны некоторые такие экраны. Они пред- ставляют собой либо проволочный каркас, обтянутый несколькими слоями ткани, либо перфорированные двуслойные оболочки из пластмассы или металлической сетки, между слоями которых проложена минеральная или капроновая вата. Наиболее простым экраном Рис. 5.55. Разъемы и кабели 105
может служить мешочек из поролона толщи- ной З..5мм. Противоветровый экран не- сколько ослабляет чувствительность микро- фонов, главным образом в области высших частот, но специальные материалы и проду- манная конструкция таких экранов позво- ляют сделать это ослабление минимальным. Вместе с противоветровой защитой микро- фоны следует предохранять от повышенной влажности. Для этого некоторые противо- ветровые экраны покрывают или пропитывают влагоотталкивающими (кремнийорганически- ми) составами. Имеются также влагозащит- ные чехлы и футляры, применяемые при ра- боте и хранении микрофонов. По окончании работы на динамические ка- тушечные микрофоны необходимо надеть не- промокаемый чехол (лучше из полимерной пленки), предохраняющий от попадания пыли и железных опилок. Микрофоны необходимо хранить в помещении с относительной влаж- ностью воздуха не выше 85 % в отсутствие в нем вредных примесей и при температуре не ниже +5 °C. По сравнению с ленточными и конденсаторными динамические микрофоны более устойчивы к сотрясениям, а также к из- менениям температуры и влажности. Условия эксплуатации и хранения лен- точных микрофонов в основном такие же, но наличие в них тончайшей и свободно висящей ленточки требует еще большей осто- рожности. Чтобы ленточка не провисла, мик- рофон следует хранить всегда в футляре, в вертикальном положении на подставке, стой- ке и тому подобных устройствах. По оконча- нии работы и выключении питания на конден- саторный микрофон необходимо надеть спе- циальный предохранительный чехол из влаго- непроницаемой ткаии или пленки Следует иметь в виду, что повышенная влажность воз- духа 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 микрофона реко- мендуется укладывать в специальный футляр Рис. 5.56, Противоветровые защитные экраны: а — каркасный, б — поролоновый (чемодан). При установке и перевозке мик- рофоны следует п редохраиять от ударов н резких сотрясений. Осторожное обращение со всеми микрофо- нами необходимо и во время обычных проб перед работой. Ни в коем случае ие следует дуть в микрофон или стучать по его корпусу, достаточно негромко сказать несколько слов иа расстоянии 10...15 см от микрофона. В процессе эксплуатации микрофонов не- обходимо систематически (не реже двух раз в год) проверять их параметры. При этом из- меряют основные технические показатели микрофона осевую чувствительность, час- тотную характеристику по фронту и тылу, частотные характеристики с включением кор- ректоров и некоторые другие параметры в соответствии с паспортом или ТУ на микро- фон. Одновременно проверяют все соедини- тельные кабели, питающие устройства, а так- же и другие детали, входящие в комплект мик- рофона. На рис 5.57, а приведена схема подключе- ния розеток радиоприемника, радиолы, маг- нитолы, магниторадиолы, телевизора, усили- теля низкой частоты, а иа рис. 5.57, б — магнитофона, иа который работает микрофон. В случае применения микрофонов производ- ства зарубежных фирм полезно иметь в ви- ду, что международная комиссия рекомен- дует подключение разъема, показанное иа рис. 5.58, а, для одноканальиых трактов, где 1 — 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- чении без питания — звуковая частота (мик- рофон), при включении питания — звуковая частота и плюс питания; 3 — при симмет- ричном включении без питания — звуковая частота (микрофон), при фантомном пита- нии — звуковая частота и минус питания; и иа рис. 5.58, б — для двухканальиых трак- тов, где 1 — то же, что и в одиоканальных; 2 — при включении без питания — звуко- вая 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- томном 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- нала и плюс питания; 5 — при включении без питания — звуковая частота правого ка- нала (микрофон), при фантомном питании — звуковая частота (микрофон) и полюс пита- ния, при прямом питании — звуковая ча- стота (микрофон) и минус питания. При включении замыкание сперва происходит че- рез штырь /. Штырь 2 соединяется с выводом микрофона, имеющим по рекомендации МЭК цветную точку. При включении на несиммет- ричный усилитель симметричного микрофона 106
Контакт 3 (или 3 и 5) розетки усилителя еле дует присоединить к контакту /. Контакты разъема должны быть чистыми, иеокислеиными во избежание плохого соеди- нения. Резьба должны быть несорванной и ие забитой для того, чтобы разъем мог хоро- шо и легко затягиваться для обеспечения хо- рошего контакта. Если микрофон должен ра- ботать иа открытом воздухе, то на него наде вается ветрозащитное устройство, входящее в его комплект. После этого микрофон уста- навливают иа стойку, которая имеет огово реииую ГОСТ 9908—75 («Микрофоны. Требо- вания к механическому креплению») резьбу М16Х 1—7Н с длиной свинчивания 10 мм на высоту, необходимую для предстоящего се- анса, и включают в ответную часть кабель- ного 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- чаев, за исключением таких, как использова- ние микрофонов иа трибуне, в президиуме, перед диктором, в руке и т. п. расстановка их является частью творческого процесса звуко- режиссера, с помощью которого он добивает- ся задуманного им качества звучания. Тем ие менее и инженер, отвечающий за эксплуа- тацию микрофонного и усилительного обо- рудования, должен быть знаком хотя бы с основами правильной расстановки. Послед- няя заключается в выборе оптимальной уг- ловой ориентации микрофона относительно воспринимаемого источника звука и расстоя- ния микрофона от него Угловая ориентация микрофона опреде- ляется углом, составленным его рабочей осью и направлением на источник звука. Для большинства типов микрофонов при увеличе- нии этого угла падают как общая чувстви- тельность микрофона, так и в особенности его чувствительность на высоких частотах. Лишь у некоторых типов микрофонов, например дву- сторониенаправлеиных (восьмерочных) и в меньшей степени одностороииенаправленных, чувствительность иа высоких частотах изме- няется при повороте рабочей оси от направле- ния иа источник так же, как и чувствитель ность на низких частотах. Поэтому микрофо- ны направляются своей рабочей осью не на ис- точник только в тех случаях, когда при пере даче надо сделать этот источник менее гром- ким на фоне звучания других источников или же звучание его надо сделать более мягким и менее четким. Что касается выбора расстояния от источ- ника, то его значение в основном определяется свойствами помещения, в котором находятся микрофоны и источник звука, и свойствами последнего. Акустические процессы в каждой точке по- мещения довольно хорошо определяются аку- стическим отношением. Восприятие же источ- ника в ием зависит от того, в каком соотноше- нии находятся расстояние от источника до Рнс. 5.57. Схемы подключения розеток радио- аппаратуры (а) и магнитофонов (б) микрофона и радиус гулкости помещения. Ес- ли расстояние от источника до микрофона меньше радиуса гулкости, то при воспроизве- дении кажущиеся размеры источника звука больше фактических. При этом создается об- щее впечатление близости и интимности звуча- ния. При расстоянии микрофона от источника, большем радиуса гулкости, наоборот, раз- меры источника кажутся меньше фактичес- ких, а окружающего пространства — больше фактических. Общее впечатление от зву- чания — «объемность», «воздушность», «мощ- ность». При расположении микрофона от ис- точника звука на расстоянии, равном радиусу гулкости, звучание при воспроизведении является промежуточным по сравнению с описанными выше. Для численного определения надлежа- щего расстояния микрофона от источника зву- ка рекомендуется пользоваться эмпирической формулой / = (1/7') VfeV/300 , Рис. 5.58. Микрофонные разъемы для моно- фонических (а) и стереофонических (б) трак- тов с видом со стороны штырей 107
где Т — время стандартной реверберации по- мещения, с; Г — его объем, м3; k — коэффи- циент объемности звука (10. 25 для симфо- нического оркестра; 3...12 для малого ор- кестра, 4...15 для рояля соло, 1, 2, ... 6 для скрипки н виолончели; 0,5...2,4 для певца солиста н 0,2...0,8 для речи). Меньшие зна- чения k соответствуют крупному плану (рас- стояния меньше радиуса гулкости). Вопрос о числе, технических характерис- тиках и расстановке используемых при за- писи микрофонов — один из наиболее важ- ных, 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- солютного рецепта, и, как правило, имеют только информационное значение, позволяя ознакомиться с основными принципами мик- рофонной работы. Дело в том, что акустичес- кие параметры студий настолько различны, а задачи звукорежиссеров так многообразны, что в каждом конкретном случае лишь тща- тельные микрофонные репетиции в том поме- щении, из которого предполагается произве- сти запись, могут помочь звукорежиссеру получить желаемые результаты. Разумеется, значительно легче добиться хорошего зву- чания, имея достаточный опыт эксплуатации данной студии, изучив ее особенности и влия- ние акустических свойств на звучание раз- личных музыкальных инструментов и ансамб- лей разного состава. Поэтому полезна преемственность в звуко- режиссерской работе, обмен опытом между звукорежиссерами и обобщение опыта при- менительно к конкретным условиям данного радиодома. Вопрос о том, чему отдать предпочтение — одному микрофону (мономикрофонная тех- ника 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- ним микрофоном, способным в некоторых случаях передать естественный тембр зву- чания, обеспечить хорошую прозрачность, т е. внятное восприятие отдельных оркест- ровых групп, ясность музыкальной фактуры, разборчивость текста. Однако в большинстве случаев при монофонической звукопередаче трудно добиться удовлетворительного музы- кального баланса, пользуясь одним микрофо- ном. Причем эта трудность может быть вы- звана недостатком акустики студии, качест- вом исполнения и. наконец, инструментовкой (аранжировкой) данного музыкального про- изведения. Чтобы иметь возможность активно влиять на качество передаваемой звуковой картины, звукорежиссер вынужден обычно устанавли- вать в студии несколько микрофонов (у раз- ных 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- го и того же источника может воздействовать не только на свой близко расположенный микрофон, но и на соседние микрофоны, уста- новленные 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 К = c/f = 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- стоянии 1,7 м в направлении распространения звука), звуковое давление в каждый момент будет противофазно максимальное сжатие воздушной среды у одного микрофона и раз- режение у другого. Естественно, что и элек- трические сигналы в цепях этих двух микро- фонов окажутся противофазными и после их смешивания в тракте микшерного пульта в результате интерференции колебаний резуль- тирующий сигнал будет существенно ослаб- лен н выпадет из общего спектра звуковой информации Это послужит причиной иска- жения тембра звучания Не следует забывать также, что отражен- ные от стен помещения сигналы любого ис- точника звука воздействуют на все установ- ленные в студии микрофоны. Поэтому регули- ровка уровня (микширование) любого из мик- рофонных сигналов неизбежно сказывается не только на тембре, но и на звуковых планах всех остальных источников звука. Избежать отмеченных неприятностей, свя- занных с применением полимикрофонной тех- ники, удается с помощью акустического раз- деления отдельных исполнителей вместе с мик- рофонами, 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- новленным у других исполнителей, его сигнал вовсе не приходит или доходит сильно ослаб- ленным. Акустическое разделение осущест- вляется с помощью специального размеще- ния исполнителей, использования односто- ронненаправленных микрофонов, имеющих кардиоидную диаграмму направленности, а также с помощью установки в студии акусти- ческих щитов, оказывающих экранирующее действие и отделяющих одну группу исполни- телей со своими микрофонами от другой Для работы по такому методу современ- ный микшерный пульт должен иметь большое число микрофонных входов с возможностью не только раздельной регулировки уровней 108
передаваемых сиГнаЛов, но И ИХ ДбпОЛии- тельной индивидуальной обработки с помо- щью введения частотной коррекции, ограни- чения 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- нов при стереофонической записи оперы—фан- тазии М. Равеля «Дитя и волшебство» в ис- полнении солистов, хора и Большого симфо- нического оркестра Всесоюзного радио под управлением Г. Рождественского. Запись происходила в первой студни Государствен- ного Дома радиовещания и звукозаписи На рис. 5 59 обозначено: /, 2 и 3 — сдво- енные микрофоны по системе XY; 4 — дву- сторонненаправленный микрофон, подклю- чавшийся в определенные моменты времени к левому каналу; 5 — двусторонненаправ- ленный микрофон, использовавшийся для реверберирования певцов — солистов и ор- кестра; 6 — кардиоидный микрофон для ре- верберировання хора; 7—кардиоидный микро- фон для реверберирования преимущественно левой части оркестра; 8 и 9 — кардиоидная микрофонная пара по системе АВ. Справа и несколько сзади дирижера на- ходились челеста н фортепиано с важными по своему значению сольными партиями Слева и несколько сзади, располагались со- листы. Сзади дирижера (у правой стены студни), с некоторым отрывом от оркестра рас- полагался на подставках небольшой хор (око- ло 45 человек), развернутый лицом на дири- жера Такое расположение хора определялось трудностью достижения необходимого ансамб- ля в иных условиях. За медной группой ин- струментов находился электромузыкальный инструмент «экводин», на котором исполня- лась партия кулисной флейты в начале вто- рой картины оперы (в саду) Микрофоны, рас- положенные по обе стороны сзади дирижера, были включены по системе АВ и восприни- мали все звучание оркестра. В некоторых эпи- зодах, где солировали челеста и фортепиано, подключался на левый канал микрофон с «весь мерочной» характеристикой направленности, Большой z \ _ барабан (^Энбодан Рис. 5.59. Расположение исполнителей и мик рофонов при стереофонической записи оперы нацеленный одним «лепестком» на скрипки, а вторым на челесту и фортепиано; в этих слу- чаях фортепиано смещалось к центру звуко- вой картины (что соответствовало замыслу зву- корежиссера); ось наименьшей чувствитель- ности микрофона была направлена на правую сторону оркестра. Перед солистами находился сдвоенный мик- рофон с кардиоидными характеристиками, направленный осями максимальной чувст- вительности под углом 90° относительно друг друга; причем микрофон, включенный иа левый канал, был ориентирован в сторону ле вой части оркестра (на скрипки), иначе лока- лизация в оркестре была бы нарушена. РАЗДЕЛ 6 ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ И ТЕЛЕФОНЫ 6.1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ Громкоговоритель и телефон — это уст- ройства для преобразования электрических колебаний в звуковые, акустические колеба- ния воздушной среды. Поскольку громкого- ворители и телефоны являются последними звеньями любого радиовещательного (звуко- воспроизводящего) тракта или линии связи, то их свойства оказывают решающее влия- ние на его качество работы в целом По способу преобразования громкоговори- тели и телефоны подразделяются на электро- магнитные* (в основном телефоны), электро- *Электромагнитные громкоговорители получили широкое распространение в 30-х 109
Дийамйчёские ка+ушечйые, изодинамические, электростатические, пьезоэлектрические и не- которые другие. По виду излучения звука Громкоговорители подразделяют на громко- говорители непосредственного излучения (диф- фузорные, куполообразные, ленточные) и ру- порные. Различают громкоговорители по Потребляемой электрической мощности (мощ- ные, маломощные), а также и по чувствитель- ности Следует отметить, что диффузорные гром- коговорители без внешнего акустического оформления (так называемые головки гром- коговорителей) по причинам, излагаемым ни- же, нуждаются во внешних оформлениях, совместно с которыми, а также с такими пас- сивными элементами, как трансформаторы, разделительные фильтры, аттенюаторы, об- разуют акустические излучающие системы. Последние обычно и называют громкоговори- телями или акустическими системами. Для озвучания и звукоусиления применяют груп- повые излучатели — звуковые колонки. Поскольку телефоны предназначены для работы непосредственно на объем слухового канала и не являются излучающими система- ми, то их характеристики несколько отлича- ются от характеристик громкоговорителей. Громкоговорители характеризуются зна- чительно большим числом параметров. ГОСТом 16122—84 (Громкоговорители, Мето- ды электроакустических измерений) уста- новлены определения характеристик громко- говорителей и терминов, к ним относящихся, наиболее употребительные из которых при- ведены ниже. Громкоговоритель — устройство для эф- фективного излучения звука в окружающее пространство в воздушной среде, содержащее одну или несколько головок громкоговори- телей, необходимое акустическое оформле- ние, необходимые электрические устройства (фильтры, трансформаторы, регуляторы и т. п.). Пассивный громкоговоритель — громкого- воритель, не увеличивающий энергию электри- ческого сигнала, поступающего на вход Головка громкоговорителя — пассивный электроакустический преобразователь, пред- назначенный для преобразования сигналов звуковой частоты из электрической формы в акустическую. Акустическое оформление — конструктив- ный элемент громкоговорителя, обеспечи- вающий эффективное излучение звука (акус- тический экран, ящик, рупор и т. п.). годах вместе с развитием проводного радио- вещания. Однако они не отвечали возрастаю- щим требованиям к качеству звучания по ширине полосы эффективно воспроизво- димых частот, нелинейным искажениям и по свойственном таким громкоговорителям тональной окраске звука и были сняты с производства после Великой Отечественной войны. Однополосный громкоговоритель — гром- коговоритель, все головки которого работа- ют в одном и том же диапазоне частот. Многополосный громкоговоритель — гром- коговоритель, головки которого работают в двух или более разных диапазонах частот. Абонентский громкоговоритель — гром- коговоритель, предназначенный для воспро- изведения передач низкочастотного канала сети проводного вещания. Рупорный громкоговоритель — громко- говоритель, акустическим оформлением ко- торого является жесткий рупор. Звуковая колонка — громкоговоритель с отличающейся направленностью звукоизлуче- ния в различных плоскостях, содержащий по крайней мере одну линейную цепочку одно- типных громкоговорителей или головок гром- коговорителей и предназначенный для озву- чения помещений и открытых пространств. Акустическая система — громкоговори- тель, предназначенный для использования в качестве компонента в бытовой радиоэлект- ронной аппаратуре. Открытая акустическая система — акус- тическая система, в которой влияние упругос- ти воздуха в объеме акустического оформле- ния пренебрежимо мало, а излучения перед- ней н тыльной сторон подвижной системы го- ловки громкоговорителя не изолированы друг от друга в области низких частот. Закрытая акустическая система — акус- тическая система, в которой упругость возду- ха в объеме акустического оформления соиз- мерима с упругостью подвижной системы го- ловки громкоговорителя, а излучения перед- ней и тыльной сторон подвижной системы изолированы друг от друга во всем диапазоне частот. Широкополосная головка громкоговорите- ля — головка, предназначенная для одно- полосного громкоговорителя Узкополосная головка громкоговорителя — головка, предназначенная для многополосно- го громкоговорителя, которая может быть низкочастотной, среднечастотной или высоко- частотной. Рабочая плоскость — плоскость излучаю- щих отверстий головок громкоговорителей. Если рабочая плоскость не указана в норма- тивно-технической документации на данный громкоговоритель, то для громкоговорителя, содержащего несколько излучающих отвер- стий, не лежащих в одной плоскости, за ра- бочую плоскость принимается та, на которой расположены излучающие отверстия высоко- частотных головок многополосного гром- коговорителя или большинство излучающих отверстий однополосного громкоговорителя Рабочий центр — точка, лежащая на ра- бочей плоскости от которой производится отсчет расстояния от громкоговорителя. Если рабочий центр не указан в документации, то за него следует принимать: геометрический центр симметрии излучающего отверстия — для громкоговорителя, имеющего одно излу- чающее отверстие; геометрический центр сим- 1.10
метрик излучающих отверстий или проекций этих отверстий на рабочую плоскость — для однополосного громкоговорителя; гео- метрический центр симметрии излучающих отверстий высокочастотных головок громко- говорителей — для многополосного громко- говорителя. Рабочая ось — прямая, проходящая через рабочий центр громкоговорителя и перпенди- кулярная к рабочей плоскости. Номинальное электрическое сопротивле- ние — заданное в нормативно-технической документации активное сопротивление, кото- рым замещают сопротивление громкоговори- теля при определении подводимой к нему электрической мощности. Минимальное зна- чение модуля полного электрического сопро- тивления громкоговорителя в заданном диапа- зоне частот не должно быть менее 0,8 /?ном. Номинальная мощность — заданная элек- трическая мощность, при которой нелинейные искажения громкоговорителя не должны пре- вышать требуемые. Максимальная шумовая мощность — элек- трическая мощность специального шумового сигнала в заданном диапазоне частот, кото- рую громкоговоритель длительно выдержи- вает без тепловых и механических повреж- дений. Максимальная шумовая мощность должна быть не менее номинальной мощнос- ти. Максимальная синусоидальная мощность — электрическая мощность непрерывного си- нусоидального сигнала в заданном диапа- зоне частот, которую громкоговоритель дли- тельно выдерживает без тепловых и меха- нических повреждений. Максимальная сину- соидальная мощность должна быть не ме- нее номинальной мощности. Для многополос- ного громкоговорителя может быть указано несколько максимальных синусоидальных мощностей, каждая для своей полосы частот. Максимальная кратковременная мощ- ность — электрическая мощность специаль- ного шумового сигнала в заданном диапазоне частот, которую громкоговоритель выдержи- вает без необратимых механических повреж- дений в течение 1 с (испытания повторяют 60 раз с интервалом 1 мин). Максимальная крат- ковременная мощность должна быть не меиее максимальной шумовой мощности громкого- ворителя. Максимальная долговременная мощность — электрическая мощность специального шумо- вого сигнала в заданном диапазоне частот, ко- торую громкоговоритель выдерживает без не- обратимых механических повреждений в те- чение 1 мин (испытания повторяют 10 раз с интервалом в 2 мин). Максимальная долго- временная мощность должна быть не менее максимальной шумовой мощности громкого- ворителя . Частота основного резонанса головки гром- коговорителя — частота возбуждающего си- нусоидального сигнала, при которой значение модуля полного электрического сопротивле- ния головки громкоговорителя имеет свой первый максимум (при возрастающей часто- те. См. рис. 6.1). Частота основного резонанса может быть указана и для громкоговорителя. Добротность головки громкоговорителя — отношение инерционной (упругой) составляю- щей механического сопротивления подвижной системы головки громкоговорителя на частоте основного резонанса к активной составляющей (мера затухания свободных колебаний по- движной системы головки громкоговорителя). Механическая добротность головки гром- коговорителя — добротность, обусловленная потерями в механических элементах подвиж- ной системы головки громкоговорителя (доб- ротность при отсутствии тока в электрической цепи головки громкоговорителя). Электрическая добротность головки гром- коговорителя — добротность, обусловленная наличием тока противо-ЭДС в электрической цепи головки громкоговорителя. Полная добротность головки громкогово- рителя — добротность головки громкого- ворителя, обусловленная суммарным влия- нием механических потерь и тока противо- ЭДС в электрической цепи головки. Эквивалентный объем головки громкогово- рителя — закрытый объем воздуха, имеющий акустическую гибкость, равную гибкости по- движной системы головки громкоговорителя. Полярность головки громкоговорителя—оп- ределенная полярность электрического на- пряжения на выводах головки громкоговори- теля, вызывающая движение подвижной сис- темы головки в заданном направлении. По- лярность многополосного громкоговорителя определяется по полярности низкочастотной головки громкоговорителя. Номинальный диапазон частот — диапа- зон частот, в котором заданы электрические и электроакустические характеристики гром- коговорителя. Частотная характеристика по звуковому давлению — графическая или численная за- висимость от частоты уровня звукового дав- ления, развиваемого громкоговорителем в оп- ределенной точке свободного поля, находя- щейся на определенном расстоянии от рабо- чего центра, при постоянном значении напря- жения на выводах громкоговорителя. Среднее звуковое давление — среднеквад- ратичное значение звукового давления, раз- виваемого громкоговорителем в заданных диа- пазоне частот и точке свободного поля при подведении к нему напряжения, соответст- вующего заданной электрической мощности. Усреднение проводится по значениям звуко- вого давления на частотах (в полосах частот), распределенных равномерно в логарифмичес- ком масштабе. Характеристическая чувствительность — среднее звуковое давление, развиваемое гром- коговорителем в заданном диапазоне частот на рабочей оси, приведенное к расстоянию 1 м от рабочего центра и проводимой элек- трической мощности 1 Вт. Уровень характеристической чувствитель- ности — 20-кратный десятичный логарифм 111
О'гнбшбния характеристической чувствитель- ности к чувствительности 2 • 10~5 Па • Вт-1/* Среднее стандартное звуковое давление — среднее звуковое давление, развиваемое гром- коговорителем в заданном диапазоне частот на рабочей оси, приведенное к расстоянию 1 м от рабочего центра и подводимой элек- трической мощности 0,1 Вт. Характеристическая мощность — элек- трическая мощность, которую необходимо подвести к громкоговорителю с тем, чтобы обеспечить номинальное среднее звуковое давление, равное 1 Па. Неравномерность частотной характерис- тики звукового давления — разность макси- мального и минимального значений уровней звукового давления (отношение максималь- ного звукового давления к минимальному, выраженное в децибелах) в заданном диапа- зоне частот. Пики и провалы частотной ха- рактеристики 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- тальной линии. Диапазон воспроизводимых частот — диа- пазон частот, внутри которого частотная ха- рактеристика звукового давления, усреднен- ная в 1 3 октавных полосах, не выходит за пределы поля допусков Диаграмма направленности — графичес- кая зависимость в условиях свободного поля уровня звукового давления для данных час- тоты (полосы частот) и расстояния от рабочего центра громкоговорителя от угла между ра- бочей осью громкоговорителя и направлением в точку измерения. Коэффициент направленности — отно- шение звукового давления, измеренного под заданным углом относительно рабочей оси, к звуковому давлению на рабочей оси для одной и той же частоты (полосы частот) н при одном и том же расстоянии от рабочего центра громкоговорителя. Индекс направленности — 20-кратный де- сятичный логарифм коэффициента направлен- ности. Угол излучения — угол, в пределах кото- рого коэффициент направленности не меньше 0,5. Коэффициент осевой концентрации — от- ношение квадрата значения звукового давле- ния, измеренного на данной частоте (полосе частот) в условиях свободного поля на рабочей оси на заданном расстоянии от рабочего цент- ра громкоговорителя, к среднему по сфере, в центре которой находится рабочий центр громкоговорителя, квадрату значения звуко- вого давления, измеренному при тех же усло- виях и на тбм же расстоянии от рабочего цент- ра. Индекс осевой концентрации — 10-крат- ный десятичный логарифм коэффициента осе- вой концентрации. Средняя акустическая мощность — сред- нее арифметическое значение акустической мощности, излучаемой громкоговорителем в определенном диапазоне частот. Усреднение проводится по значениям акустической мощ- ности на частотах (в полосах частот), распре- деленных равномерно в логарифмическом масштабе. Приведенный коэффициент полезного дей- ствия — отношение акустической мощности, излучаемой громкоговорителем иа данной час- тоте (полосе частот), к проводимой электри- ческой мощности. Коэффициент гармоник п-го порядка — от- ношение, выраженное в процентах эффектив- ного значения звукового давления сигнала, содержащего частоту возбуждения и все ее гармоники при возбуждении громкоговори- теля синусоидальным сигналом. Суммарный коэффициент гармоник — ко- рень квадратный из суммы квадратов коэф- фициентов гармоник всех порядков. Коэффициент интермодуляционных иска- жений п-го порядка — отношение, выраженное в процентах, эффективного значения звуко- вого давления суммы спектральных компо- нент с частотами /2 ± (л — 1) fl к звуковому давлению на частоте /2, где п — любое целое число, кроме единицы; Л и /2 — частоты под- водимого к громкоговорителю сигнала (fi Ы- Суммарный коэффициент интермодуля- ционных искажений — корень квадратный из суммы квадратов коэффициентов интермоду- ляционных искажений всех порядков. Призвук — нелинейные искажения, возни- кающие при возбуждении громкоговорителя синусоидальным сигналом. Субъективно (на слух) воспринимается как тон (группа тонов), звучащий одновременно с тоном частоты воз- буждения Дребезжание — нелинейные искажения, возникающие при возбуждении синусоидаль- ным сигналом громкоговорителя, имеющего механические дефекты Субъективно (на слух) воспринимается как неприятный звук, не имеющий выраженной тональной окраски. Может показаться, что в стандарте гром- коговоритель характеризуется излишне боль- шим числом параметров, однако это не так. Ведь стандарт рассчитан не только на потре- бителей, но и на разработчиков головок гром- коговорителей и акустических систем. Ряд па- раметров всей выпускаемой продукции конт- ролируют в процессе производства, а ряд па- раметров, проверка которых связана с боль- шой затратой времени, превышающей время выпуска одного изделия, контролируют выбо- рочно из партий изделий, выпущенных раз- ными сменами. Среди перечисленных имеются параметры, которые контролируются в основ- ном иа стадии разработки головок громкого- ворителей. Параметры, которые принято счи- тать важнейшими для потребителя, должны приводиться в паспорте на головку громкого- ворителя или акустическую систему. Поясним кратко значение некоторых параметров. 112
Номинальное электрическое сопротивле- ние, максимальная шумовая мощность и уро- вень характеристической чувствительности определяют тип усилителя звуковых частот, с которым может работать данная головка громкоговорителя или акустическая система; частота основного резоиаиса, наряду со зна- чением полной добротности головки громко- говорителя, определяет низшую эффективно воспроизводимую частоту; эквивалентный объ- ем головки громкоговорителя определяет объ- ем акустического оформления, т. е. геометри- ческие размеры корпуса громкоговорителя, что во всех случаях является важным потре- бительским параметром; электрическую эконо- мичность громкоговорителя определяет зна- чение характеристической мощности, кото- рая обратно пропорционально связана с уровнем характеристической чувствитель- ности. Понижение чувствительности иа 3 дБ влечет удвоение характеристической мощнос- ти, 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- теристики, тем выше качество звучания гром- коговорителя при равных прочих параметрах. Применительно к головкам громкоговорителей рекомендация стандарта о неучете пиков и провалов уже 1/8 октавы ие является про- грессивной, поскольку наличие на частотной характеристике головки громкоговорителя пиков и провалов свидетельствует о недоб- рокачественном выполнении диффузора, о на- личии в ием стоячих волн, т. е. о недоработке головки громкоговорителя. Стандарт должен быть всегда прогрессивным и призван спо- собствовать повышению качества продукции. Аналогичное замечание можно сделать и к формулировке эффективно воспроизводимого диапазона частот, в которой, по существу, за- ложена допустимость неравномерности частот- ной характеристики 10 дБ. Что касается не- линейных н интермодуляционных искажений, то они должны быть не выше указанных в специальных стандартах, а такие параметры, как призвук или дребезжание, отсутствуют во- обще у громкоговорителей, прошедших ОТК, их наличие свидетельствует о неисправности громкоговорителя. 6.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕЛЕФОНОВ И ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ Для электромагнитного способа преобра- зования коэффициент электромеханической связи К = BqQw/6, где Вй — постоянная ин- дукция в зазоре между полюсными наконеч- никами (2) н якорем 1 (диафрагмой); б — толщина этого зазора; Q — его сечение; <о — число витков катушки, надетой иа магнито- провод (см. рис. 5.6 б, § 4.4 и 5.3). Частотная характеристика чувствительности1 электро- магнитного громкоговорителя, под которой понимают отношение развиваемого им на рас- стоянии 1 м по его оси звукового давления к подводимому к нему напряжению, может быть выражена как Р__ Р к wS U j/з л гм Здесь р — плотность воздуха; S — пло- щадь диффузора; Z3 — электрическое сопро- тивление громкоговорителя; гм — механичес- кое сопротивление его подвижной системы (якорь с диффузором). Приведенное выра- жение справедливо только для поршневого диапазона, верхняя граница которого frp = = с/~|/2л£. Предполагается далее, что гром- коговоритель колеблется в бесконечной сте- не и излучение его ненаправленно. Если нижней граничной частотой, воспро- изводимой этим громкоговорителем, считать его резонансную частоту, то гм = (от, где т—масса подвижной системы. Электричес- кое сопротивление этого громкоговорителя имеет индуктивный характер, откуда Z3 х х (oL, где L — индуктивность громкоговори- теля. При сделанных допущениях р рК (oS рК S и 1/8 л 1/8 л uLm ' Как видно, даже в пределах поршневого диапазона чувствительность падает с частотой. Эта тенденция в известной степени компен- сируется тем, что с повышением частоты на- правленность обостряется и, таким образом, излучение концентрируется на оси. Чувст- вительность громкоговорителя еще больше падает ниже частоты резонанса механической системы из-за того, что механическое сопро- тивление, имея упругий характер, увеличи- вается с понижением частоты, а выше порш- невого диапазона из-за того, что при повыше- нии частоты диффузор перестает колебаться как целое. Кроме того, электромагнитной сис- теме свойственны большие, в том числе специ- фические для нее, нелинейные искажения по второй гармонике, обусловленные тем, что сила притяжения якоря (диафрагмы) пропор- циональна не индукции, а ее квадрату. С этим борются наложением постоянного потока на 1 Для электромагнитного (и электростати- ческого) громкоговорителя нельзя пользо- ваться понятием характеристической чувст- вительности, поскольку при постоянном под- водимом напряжении мощность меняется с частотой из-за того, что сопротивление громкоговорителя реактивно ИЗ
переменный магнитный и применением диф- ференциальной конструкции. Неблагоприятен и тот факт, что электри- ческое сопротивление громкоговорителя силь- но зависит от частоты (Zg = u>L). Таким образом, качественные показатели электромагнитного громкоговорителя неудов- летворительны. Этим объясняется то, что громкоговорители данного вида в настоящее время повсеместно вышли из употребления. Электромагнитные же телефоны остались до- вольно широко распространенными из-за своей простоты и 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- ну, можно считать сосредоточенными, чувст- вительность последнего выражается в виде Р _______________К____________ jwcB Za I zT-|- . I S \ J«CB / где, помимо введенных выше обозначений, Za — электрическое сопротивление телефона, гт — механическое сопротивление его подвиж- ной системы; св — гибкость воздуха в объеме под диафрагмой с площадью S телефона, при- ложенного к уху. Как видно, чувствительность телефона бу- дет частотио-независимой, если его механиче- ское сопротивление чисто упругое, а электри- ческое — активное. Если первое достижимо путем расположения резонанса диафрагмы вы- ше воспроизводимого диапазона, то второе условие обеспечить нельзя, поскольку элек- трическое сопротивление телефона индуктив- но. Таким образом, чувствительность телефона по напряжению частотно-зависима, а по отда- че мало зависит от частоты, если внутреннее сопротивление выходного каскада усилителя или линии активное и равно модулю сопротив- ления телефона на частоте 1000 Гц. Подавляющее число типов громкоговори- телей и многие типы телефонов построены на основе использования магнитоэлектрического принципа преобразования, получившего в электроакустике наименование электродина- мического. Исходя из формулы для электродинамичес- кой системы коэффициент электромеханичес- кой связи К = В1, где В — индукция по- стоянного потока в воздушном зазоре 1 маг- нитной цепи; I — длина проводника катушки 3 (см. рис. 5.6, в, § 4.4 и 5.3). Коэффициент полезного действия ц и стан- дартное звуковое давление рст (давление на расстоянии 1 м от громкоговорителя по на- правлению его рабочей оси при подведении мощности 0,1 Вт) для громкоговорителя, диф- фузор которого колеблется в бесконечной сте- не, могут быть выражены соответственно: К2 Р S2 р В2 VS2 Т| =-----------------------; 2ncRm2 2лсрэ 11,2 Кр /'~0Д~_______р 0,1Я2 V 2пт |/ R 2пт рл Здесь помимо введенных выше обозначений, R — электрическое активное сопротивление громкоговорителя; т — масса подвижной сис- темы громкоговорителя; V — объем проводни- ка звуковой катушки; рэ — удельное элек- трическое сопротивление проводника звуко- вой катушки. Эти выражения справедливы в диапазоне частот, нижняя граница которого — резонанс- ная частота, а верхняя — нижняя граница поршневого диапазона, равная, как уже упо- миналось, /гр = c/“|/2nS. Ниже резонанс- ной частоты звуковое давление и КПД очень сильно убывают. Выше /гр диффузор переста- ет колебаться как целое и части его колеблют- ся с разными фазой и амплитудой. Поэтому звуковое давление от него то увеличивается на тех частотах, где вся или большая часть по- верхности диффузора и подвеса колеблется синфазно, то уменьшается, когда части поверх- ности диффузора и подвеса колеблются проти- вофаз ио. Рассмотрим особенности работы диффузо- ра широкополосной головки громкоговори- теля на различных частотах. В области низких частот скорость изменения фазы сигнала в зву- ковой катушке меньше скорости распростра- нения механического возбуждения в материа’ ле диффузора и последний ведет себя как еди- ное целое, т. е. колеблется как поршень. На этих частотах частотная характеристика гром- коговорителя имеет гладкую форму, что сви- детельствует об отсутствии парциального воз- буждения отдельных участков диффузора. Обычно разработчики головок громкого- ворителей стремятся расширить область порш- невого действия диффузора в сторону высо- ких частот путем придания специальной фор- мы образующей конуса. Для правильно сконструированного целлюлозного диффузо- ра область поршневого действия может быть приблизительно определена как длина волны звука, равная длине окружности диффузора в основании конуса. На средних частотах ско- рость изменения фазы сигнала в звуковой ка- тушке превышает скорость распространения механического возбуждения в материале диффузора и в нем возникают волны изгиба, диффузор уже не колеблется как единое це- лое. На этих частотах показатель затухания механических колебаний в материале диффу- зора 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- ки с интенсивным противофазным излучением. При этот на частотной характеристике на- блюдаются резкие нерегулярности (пики и провалы), размах которых может достигать у неоптимально сконструированного диффузо- ра десятка децибел. На высоких частотах показатель затухания механических колебаний в метериале диффу- зора возрастает и стоячие волны не образуют- ся. Вследствие ослабления интенсивности механических колебаний, излучение высоких частот происходит преимущественно областью диффузора, прилегающей к звуковой катуш- ке. Поэтому для увеличения воспроизведения высоких частот применяют рупорки, скреп- ленные с подвижной системой головки гром- коговорителя. Для уменьшения неравномер ности частотной характеристики в массу для изготовления диффузоров головок громко- говорителей вводят различные демпфирующие (увеличивающие затухание механических ко- лебаний) присадки. Что касается нелинейных искажений, то основными причинами их яв- ляются: во-первых, нелинейная зависимость деформации (сжатия и растяжения) подвеса диффузора и центрирующей шайбы от при- ложенной 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- редь, приводит к тому, что при одной и той же величине тока в звуковой катушке сила, дей- ствующая на нее, различна в зависимости от того, вся ли катушка или часть ее находится внутри зазора. В первом случае витки ка тушки пронизываются полным магнитным по- током зазора, во-втором — лишь частью его. Таковы причины нелинейных искажений гром- коговорителей в области низких частот, об- ласти основного резонанса подвижной сис- темы, 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- лями миллиметра Одной из причин нелинейных искажений является нелинейное взаимодействие тока звуковой катушки с металлическими деталя- ми магнитопровода — керном и верхним флан цем (см рис. 6.15, а). В этих деталях, распо ложенных вблизи звуковой катушки, возии кают токи Фуко, которые, в свою очередь, на- водят ЭДС в звуковой катушке. Из-за свойства металла деталей магнитопровода это взаимо- действие имеет нелинейный характер. Мето- ды борьбы с токами Фуко известны и могут, например, заключаться в уменьшении элек трической проводимости частей деталей маг- нитопровода, прилегающих к звуковой ка- тушке. 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 лучаемый 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- точно демпфированном диффузоре и возника- ют как отклик на механическое возбуждение, источником которого является звуковая ка- тушка Этот вид искажений придает звучанию громкоговорителя характерную тональную окраску, свойственную громкоговорителю дан- ного типа. Искажения второго типа зависят от интенсивности стоячих волн, возникающих в диффузоре, причина появления которых рас смотрена выше. Интенсивные стоячие волны приводят к образованию участков диффузора, способных излучать звук на собственных час- тотах. Излучения участков диффузора также квалифицируются как нелинейные искажения, и они могут в несколько раз превышать пер- вый тип искажений Отсюда становится оче видным путь борьбы с такими искажения- ми, заключающийся в снижении интенсив- ности отраженной от диффузородержателя составляющей механических колебаний и обес печения режима бегущей волны в диффузоре. Диффузоры высококачественных головок гром- коговорителей обычно выполняют с подкле- енным верхним подвесом и воротником, из- готовляемыми отдельно из метариала с боль- шим показателем затухания механических ко- лебаний Такие головки имеют более высокую стоимость и менее технологичны в производ- стве по сравнению с массовыми головками громкоговорителей, диффузор которых изго- товляют вместе с верхним подвесом и ворот- ником. Другой недостаток головок с подкле- енным верхним подвесом — более низкая их чувствительность, обусловленная меньшей ра диальной жесткостью подклеенного подвеса и возникающей опасностью затирания звуко- вой катушки в зазоре. Эта опасность вынуж- дает разработчиков применять более широкий воздушный зазор с соответствующим сии жением индукции магнитного поля Причиной затирания звуковой катушки является спи- ралевидная форма намотки ее витков и свя- занная с ней тангенциальная составляющая силы Лоренца. У низкочастотных головок громкоговорителей применение особо гибкого верхнего подвеса позволяет, помимо ослаб- ления отраженных от диффузородержателя механических колебаний, получать более низкую резонансную частоту. Для массовых широкополосных и среднечастотных головок громкоговорителей снижение интеисивиости отраженных от диффузородержателя состав- ляющих и обеспечение режима бегущей волны могут быть достигнуты нанесением вибропогло- щающей незасыхающей мастики на часть верх- него подвеса, не входящую в динамическую массу диффузора Действие нанесенного слоя мастики, как и подклеенного подвеса, заклю чается в том. что пропитанный мастикой учас- 115
Ток верхнего подвеса значительно изменяет свои свойства, в результате чего резко воз- растают потери для распространяющихся в направлении диффузородержателя механи- ческих колебаний. Нанесение вибропогло- щающей мастики позволяет значительно уменьшать неравномерность частотной ха- рактеристики в области средних частот и по- нижать искажения головок громкоговори- телей. Для повышения эффективности громко- говорителей вместо катушек из медного про- вода делают их из алюминиевого, что позво- ляет уменьшать массу подвижной системы — такие легкие катушки применяют преимущест- венно для малогабаритных широкополосных, а также для среднечастотных и высокочастот- ных головок громкоговорителей. С целью даль- нейшего повышения КПД применяют также намотку звуковых катушек проводом не круг- лого, а прямоугольного сечения. Увеличение эффективности обусловлено увеличением объ- ема проводника в зазоре магнитной системы. Наиболее эффективным способом расшире- ния диапазона воспроизводимых частот явля- ется разделение его на части с тем, чтобы каждая из этих частей воспроизводилась от- дельной головкой громкоговорителя, боль- шей по размерам для низкочастотной облас- ти и меньшей для высокочастотной. Подклю- чают этн головки через так называемые раз- делительные фильтры, обеспечивающие попа- дание на данную головку напряжения только тех частот, для воспроизведения которых она предназначена. Выбор частот раздела, а так- же крутизны разделительного фильтра су- щественно влияют на качество звучания гром- коговорителя. Поэтому при конструировании акустических систем субъективная оценка ка- чества звучания является основным критери- ем передачи их в производство. Качество зву- чания акустической системы |6.7] должно быть не хуже образца по качеству звучания, ут- вержденного в установленном порядке, для каждой группы сложности Качество звуча- ния проверяется по ТУ. Телефоны, построенные на электродина- мическом способе преобразования, распро- странены меньше электромагнитных. Их основ- ное назначение — прослушивание стереофо нических передач и контроль при киносъемках и звукозаписи. По конструкции они разделя- ются на диффузорные и капсюльные. В первых основой конструкции является небольшой диффузорный громкоговоритель, заключен- ный в корпус; во-вторых небольшая маг нитная система с подвижной катушкой и купо- лообразной диафрагмой. Качество звучания капсюльных телефонов выше, чем диффузорных, и их удается изго- товлять очень миниатюрными (при сохране нии высокого качества звучания). В качестве примера можно привести основные пара- метры 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- те 500 Гц—94 дБ. Как следует из выражения для чувстви- тельности телефона, приведенного выше, для получения равномерной частотной характе- ристики электродинамического телефона ме- ханическое сопротивление его подвижной системы также должно быть упругим, по- скольку электрическое сопротивление актив- ное Качественные показатели электродина- мических телефонов значительно лучше, чем у электромагнитных. Они дают более равно- мерную частотную характеристику и мень- шие нелинейные искажения. Из-за незначительного сопротивления излучения диффузора (вследствие малости его размеров по сравнению с длиной излучае- мой волны) КПД диффузорного громкоговори- теля невелик. Применение рупора, сопротив- ления излучения которого значительно боль- ше, позволяет существенно увеличить КПД. Коэффициент полезного действия рупор- ного громкоговорителя с акустической ка- мерой ра w2m2+pzc2(Sf)/S0^ B-V pc (S2d/Sb) ]’ где SD — поверхность диафрагмы; Su — вход- ное отверстие рупора. Однако эта формула справедлива для диапазона частот, более уз- кого по сравнению с диапазоном диффузорно- го громкоговорителя. Дело в том, что резо- нансная частота подвижной системы у ру- порного громкоговорителя существенно выше, так как для стабильности его работы прихо- дится делать подвес более жестким. На высо- ких частотах начинают заметно влиять гиб- кость воздуха в акустической камере, как бы шунтирующая сопротивление излучения, и ин- терференция колебаний от различных частей диафрагмы, достигающих горла рупора с раз- ными фазами вследствие различной длины пути их прохождения Правда, с этим борют- ся, вставляя в камеру так называемый проти- воинтерференционный вкладыш, в значитель- ной степени выравнивающий эти пути. Из-за перечисленных причин воспроизво- димый рупорным громкоговорителем частот- ный диапазон довольно узок. Но и внутри его частотная характеристика неравномерна. Существенный недостаток рупорного гром- коговорителя в том, что его характеристика направленности сильно зависит от частоты. Являясь тупой на низких частотах, она обост- ряется к высоким. Поэтому в любом направле- нии. отличном от осевого, наблюдается допол- нительный спад высоких частот, что отрица- тельно сказывается, например, на артикуля- ции при воспроизведении речи. Что касается нелинейных искажений, то ко всем причинам указанным для диффузор- ных громкоговорителей, прибавляются еще специфические для рупорных. Они заключа- ются в том, что поскольку в акустической камере имеет место очень большое звуковое давление, то тут начинает сказываться не- 116
линейность самого воздуха, находящегося в ней А это проявляется в виде дополнитель- ных искажений. Таким образом, рупорный громкоговори- тель обладает рядом существенных недостат- ков. Достоинство же его — сравнительно большой КПД, что делает целесообразным его применение там, где необходимы высокий уро- вень громкости воспроизведения или работа на большие расстояния. Характерной и имеющей важное значение для работы электродимнамических громко- говорителей и телефонов является частотная зависимость их электрического сопротивле- ния (рис. 6.1). На низких частотах, это, по существу, активное сопротивление катушки. На частоте резонанса подвижной системы сопротивление громкоговорителя (fB на рис 6 1) или телефона сильно возрастает вви- ду увеличения вносимого сопротивления В2 х X (механическое сопротивление силь- но уменьшается). Далее оно падает из-за того, что наступает электромеханический резонанс индуктивного сопротивления катушки с ем- костным сопротивлением вносимого сопротив- ления В2 P/jam и, наконец, к высоким частотам доминирую- щим становится упомянутое уже индуктивное сопротивление катушки. Следует назвать еще одни принцип пре- образования, используемый в конструкциях телефонов и громкоговорителей, — электро- статический (рис. 6.2). Принцип действия их в дифференциальном варианте заключается в том, что между двумя перфорированными плас- тинами 2, являющимися неподвижными элек- тродами, располагается подвижный электрод 1 обычно в виде металлизированной пленки. На подвижный электрод подаются переменное напряжение от источника токов звуковой час- тоты и постоянное напряжение, в несколько раз большее переменного, что необходимо как для повышения чувствительности (см. ниже формулу для нее), так и для уменьшения спе- цифических для электростатического способа преобразования нелинейных искажений по второй гармонике. В зависимости от мгновен- ной полярности по переменному напряжению подвижный электрод притягивается то к од- ному, то к другому неподвижному электроду. Получаемые таким образом колебания через перфорации неподвижных электродов возбуж- дают окружающую воздушную среду Электростатический способ преобразова- ния применяют также и в телефонах. Элект- ростатические громкоговорители большей час- тью выполняют как системы, непосредствеиио излучающие в среду. Значительно реже приме- няются электростатические рупорные гром- коговорители. Применение электростатических телефонов ограничиваются сложностью их конструкции и высокой ценой. Для электростатических преобразований коэффициент электромеханической связи К UB (jwd)-1, где Uo — напряжение поляризации; d — ши- рина зазора между подвижными и неподвиж- ными электродами. Чувствительность громкоговорителя, если он работает в режиме постоянного напряже- ния: Р UBC . / Srs —— = рс------ I / -----. d 2л Здесь zM — механическое сопротивление по- движной системы (подвижного электрода); S — ее поверхность; С — электрическая ем- кость громкоговорителя, рс — удельное со- противление среды (воздуха); г3 — удельное (на единицу поверхности) сопротивлеиие из- лучения подвижного электрода. Из приведенного выражения видно, что звуковое давление может быть частотно-не зависимым, если: а) сопротивление излучения и механическое сопротивление подвижного электрода также частотнонезависимы, что имеет место при гео- метрических размерах подвижного электрода, больших по сравнению с длиной волны излу чаемого звука на низшей частоте воспроизво- димого диапазона, а механическое сопротивле- ние в основном активно; б) геометрические размеры подвижного электрода малы по сравнению с длиной вол ны излучаемого звука на высшей частоте вое производимого диапазона, з механическое со- противление инерционно, т. е. пропорциональ- но частоте, что имеет место при расположении резонансной частоты ниже воспроизводимого диапазона. Однако построенный таким об- разом громкоговоритель будет иметь низкую чувствительность из-за малой поверхности подвижного электрода при малых размерах последнего. Для излучения достаточной акус- тической мощности необходимо, чтобы ампли туда колебаний подвижного электрода, особен- но 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 (о — резонансная частота. /», частота электроме- ханического резонанса. R — сопротивление постоян- ному току, Rn — сопротивление на частоте fm, R+R' — вносимое активное сопротивление 117
неподвижным электродами. Отсюда следует, что электростатический громкоговоритель ма- лых размеров годится только для воспроизве- дения высоких частот. Для перекрытия ши- рокого диапазона частот целесообразно при- менять многополосные громкоговорители, т. е. совокупность громкоговорителей, каждый из которых воспроизводит только часть диапазо- на частот, в границах которой удовлетворя- ется условие б). Поэтому для воспроизведения низких частот и всего диапазона в целом электростатические громкоговорители должны иметь большие площади, хотя толщина конст- рукции может быть сравнительно небольшой. Что касается электростатических телефо- нов, то из выражений для чувствительности телефона и для коэффициента электромехани- ческой связи следует, что р_______________________ии и~ I 1 <о2 dcB I Zr~j- \ а это при Zg = 1/jioC приводит к тому, что чувствительность телефона будет частотно-не- зависимой только при условии, что механи- ческое сопротивление телефона будет упругим, т. е. если раезонансная частота телефона вы- ше воспроизводимого диапазона частот. Преимущества электростатических гром- коговорителей и телефонов в том, что они возбуждаются по всей поверхности подвижно- го электрода, благодаря чему все его точки колеблются синфазно, т. е. поршнеобразно, и он излучает всей поверхностью, что особен- но важно при излучении высоких частот По- этому частотная характеристика электроста- тических громкоговорителей и телефона — весьма протяженна в сторону высоких частот по сравнению с характеристиками громкого- ворителей и телефонов, построенных на дру- гих видах преобразования Недостатками электростатических громкоговорителей и те- лефонов являются прежде всего, как уже упо- миналось, специфические для них виды не- линейных искажений по второй гармонике, возникающие из-за того, что сила электроста- тического притяжения пропорциональна не приложенному к электродам напряжению, а его квадрату Эти искажения могут быть силь- но уменьшены путем применения напряжения поляризации и так называемой дифференци- альной конструкции (см. рис. 6.2, с). Но по- следняя дает необходимый эффект только при высокой степени симметрии расположения подвижного электрода между неподвижными. Само собой разумеется, что должна соблю- даться и электрическая симметрия, т. е. ра- венство подаваемых в оба неподвижных элек- трода напряжений. Не всегда удобно и то, что электростатичес- кий громкоговоритель для воспроизведения широкого частотного диапазона должен иметь большую излучающую поверхность. Это, кро- ме конструктивных неудобств, приводит к тому, что характеристика направленности та- кого громкоговорителя зависит от частоты, сильно обстряясь с ее повышением. Правда, с этим борются, составляя громкоговори- тель из отдельных сравнительно узких пане- лей, располагаемых в горизонтальной плос- кости (например, по дуге окружности). Существенный недостаток электростатичес- ких громкоговорителей и телефонов также в том, что оии являются для питающих их уси- лителей емкостной нагрузкой, сопротивление которой падает с частотой. Довольно неудобна также во многих слу- чаях необходимость в дополнительном источ- нике постоянного напряжения. Все это услож- няет построение усилителя и требует приме- нения специальных схем. Пример такой схемы питания электростатического громкоговори- теля напряжениями поляризации и звуковой частоты представлен на рис 6.2, б. Рис. 6.2. Электростатический громкоговоритель: а — конструкция: / — диафрагма М, 2 — неподвижные электроды Э. Ео—источник поляризующе- го напряжения. Ло—расстояние между диафрагмой М и неподвижным электродом Э- б—при- мер схемы устройства его питания и поляризации: С,=С2 . .=С|2=33 пФ С,3= 100 мкф, Л1=1 мОм, Л2=470 кОм, Л3=10 мОм. Дноды: VD,—VD2 118
Еще одним недостатком электростатичес- ких громкоговорителей и телефонов является сравнительно низкая чувствительность, обу- словленная ограниченной электрической проч- ностью воздуха, ие позволяющей повышать действующие между электродами напряжения сигнала и поляризующее. Вместе с тем элек- тростатические громкоговорители и телефоны обеспечивают очень высокое качество зву- чания, лишенное какой-либо окраски. Это обусловлено чрезвычайно малыми переход- ными искажениями легкой диафрагмы. У нас в стране выпускают широкополосную элек- тростатическую акустическую систему 25АСЭ—101, основные технические характе- ристики 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- троды несут на себе постоянный и довольно стабильный во времени электрический заряд. Одним из других способов преобразования, используемых в громкоговорителях и телефо- нах, является также пьезоэлектрический, став- ший перспективным благодаря появлению эффективных пьезоэлектрических пленок. Тут, естественно, не требуется напряжения поляризации. В остальном и электретные, и пьезоэлектрические громкоговорители обла- дают в принципе теми же свойствами, что и электростатические. Приведенные выше выражения для чувст- вительности и КПД громкоговорителей и те- лефонов позволяют установить требования к их подвижным системам, необходимые для по- лучения равномерных частотных характерис- тик. Подвижные системы электромагнитных, электродинамических и малых емкостных (электростатических, электретных и пьезо- электрических) громкоговорителей должны управляться массой, т. е. их резонансные частоты должны находиться ниже воспроиз- водимого диапазона частот. У больших ем- костных громкоговорителей подвижные сис- темы должны иметь частотно-независимое ме- ханическое сопротивление, т. е. желательно активное. Подвижные системы телефонов всех видов преобразования должны управляться упругостью, т. е. их резонансные частоты должны лежать выше воспроизводимого диа- пазона частот. НАПРАВЛЕННОСТЬ Направленность отдельных диффузных го- ловок громкоговорителей не является явно вы- раженной ввиду малости поверхности излу- чения, хотя она и становится заметной в об- ласти высоких частот. Однако направленность начинает играть существенную роль, когда применяют системы, состоящие из совокуп- ности громкоговорителей. К таким системам относятся, например, звуковые колонки, в которых несколько головок громкоговори- телей располагается в виде одного или не- скольких параллельных рядов. Устроенные таким образом звуковые колонки мало направ- лены 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- на по формуле ! л1 \ / / nd \ = sin 1-^—sin 0 1 / п sin I -у— sin 0 I, где d — расстояние между центрами двух со- седних громкоговорителей; п — число их в вертикальном ряду; I — вертикальная длина колонки (предполагается малой по сравнению с длиной волны излучаемого звука X /); 0 — угол между нормалью к плоскости, в которой лежат диффузоры головок громкого- ворителей, восстановленной в центре этой плоскости, и прямой, проведенной в верти- кальной плоскости в точку наблюдения из этого же центра. Эта формула справедлива только для направленности в вертикальной плоскости. Пространственная же характеристика опре- деляется формулой sin cos у sin R*- v л/ ----------cos 0 sin 0 X I лЬ sin I--sinysinO —— sin у sin 0 X 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- тальной плоскости; b — ширина колонки в горизонтальной плоскости. Приведенные формулы имеют ограничения, обусловленные тем, что иа низких частотах они ие учитывают взаимодействия головок гром- коговорителей, а также эффекта дифракции из-за того, что головки колонки расположены не 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 иа частотах, где d > 3V4, характеристика направленности становится многолепестковой. Однако приближенно эти формулы и по- строенный иа основе первой из них рис. 6.3 дают представление о направленности колон- ки. Пример. Пусть требуется найти звуковое давление, развиваемое звуковой колонкой длиной I = 1 м под углом 15° на частоте 690 Гц (в долях осевого давления). Длина волны, соответствующая частоте 690 Гц, при- близительно равна 0,5 м. Отсюда 1/к = 1/0,5 = 119
Рис 6.3. Зависимость характеристики направленности линейного излучателя, колеблю- щегося в бесконечном экране, от отношения //X = 2. По кривой с таким параметром (спра- ва в среднем ряду) находим точку пере- сечения кривой с направлением 15‘ и отсчи- тываем по вертикальной оси значение отно- сительного звукового давления 0,45. В противоположность звуковым колон- кам, где требуется обострить направленность для некоторых систем озвучения требуется, чтобы по крайней мере в горизонтальной плос- кости направленность громкоговорителя от- сутствовала, т. е. чтобы звуковое давление в горизонтальной плоскости в любом направле- нии от громкоговорителя в заданном расстоя- нии было одинаковым. Это требование удов- летворяется так называемыми радиальными громкоговорителями, где несколько головок громкоговорителей расположено по окружнос- ти в одной горизонтальной плоскости. Задача, которую приходится решать в бы- товой радиоэлектронной аппаратуре, — не до- пустить по возможности обострения характе- ристики направленности в горизонтальной плоскости даже иа высоких частотах во из- бежание их «пропадания» при слушании под углом к оси. С этой целью головки для воспро- произведеиия высоких частот располагают в горизонтальной плоскости по дуге круга. В таком случае направленность в этой плоскости ft--4 т = У* соя Л = : +j 2 sin лО —— cos (0 4 ka) + Л cos (0 4- ka) где 2m + 1 — общее число головок громко- говорителей; D — диаметр дуги, по которой расположены головки; а — центральный угол между двумя соседними головками громко- говорителей. Для этого случая можно опре- делить направленность и по рис. 6.4. Пример. Пусть требуется иайти звуковое давление, развиваемое группой головок гром- коговорителей, расположенных по дуге с цент- ральным углом 120° и хордой 0,4 м на часто- те 750 Гц под углом 30° к оси группы в долях от звукового давления иа последней. Диаметр такой группы D = 0,4 / sin (120° / 2) = = 0,4/0,866 = 0,46 м. Длина волны на час- тоте 750 Гц составляет также 0,46 м. Отсюда D/X = 1. По характеристике с этим парамет- ром (справа в верхнем ряду группы в) на- ходим точку ее пересечения с направлением 30° и отсчитываем на вертикальной оси зна- чение: оио приблизительно равно 0,7. Существуют и другие способы уменьше- ния направленности. Так, например, для тех акустических систем, где высокие часто- ты воспроизводятся рупорными громкогово- рителями, рупоры выполняют так, что в осе- вом направлении внутри их устанавливают пе- регородки 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- рителей (с рупорами, построенными по экс- поненциальному закону) может быть иайдена с помощью экспериментально снятых харак- теристик, изображенных на рис. 6.5, где Хгр — граничная длина волны рупора, т. е. длина волны на той критической частоте /Гр, 120
ё которой теоретически он начинает излу- чать; d — диаметр устья (выходного отвер- стия рупора) или диаметр круга, равновелико- го по площади устью, если последнее ие слиш- ком вытянуто; d/X — отношение диаметра устья к длине волны излучаемого звука. Пример, Пусть требуется найти звуковое давление, развиваемое рупорным громкого- ворителем 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 Хгр — 343 : 250 = = 1,36 м. Отсюда Xrp/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- меткой 2 характеристику, соответствующую d/X = 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 иа частотах, где от- ношение //X достигает единицы и на более вы- соких частотах. Исходя из размеров выпус- каемых звуковых колонок это значит, что до частоты примерно 340 Гц они практически лишены направленных свойств даже в верти- кальной плоскости. Известно, что в горизон- тальной плоскости звуковые колонки имеют характеристику направленности, совпадаю- щую с направленностью одиночной головки громкоговорителя, которая проявляет направ- ленные свойства еще на более высоких часто- тах (800... 1000 Гц). Такая особенность харак- теристики направленности обычных звуко- вых колонок приводит к снижению эффектив- ности работы систем звукоусиления вследствие прямого попадания звука на мембрану мик- рофона и снижению разборчивости речи вслед- ствие возбуждения интенсивной диффузной составляющей в помещении на низких часто- тах. В то же время известная техническая реа- лизация однонаправленных (кардиоидных) звуковых колонок, направленные свойства которых на низких частотах формируются путем компенсации в тыльном полупростран- стве двух составляющих тыльного поля: тыль- ного излучения диффузоров головок громко- говорителей и части фронтального излучения диффузоров, дифрагирующей вокруг корпуса звуковой колонки в тыльное полупростран- ство. С этой целью в задней стенке звуковой колонки монтируется специальный акусти- ческий фильтр, обеспечивающий фазовый сдвиг, пропорциональной частоте для тыль- ного излучения диффузоров головок громко- говорителей и реализующий условия компен- сации двух составляющих тыльного поля. При- оритет 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- лонок позволяет повысить эффективность ра- боты систем звукоусиления и улучшить раз- борчивость речи. При использовании на от- крытом воздухе кардиоидные звуковые колон- ки 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- ных аппаратов» устанавливает две категории телефонов: «Н» (нормально) для работы в диа- пазоне температур —10...+45 JC при влаж- ности до 90±3 % и «У» (устойчивые) в диа- пазоне температур —50..-+50 JC при влаж- ности до 95±3 %. Полное электрическое со- противление на частоте 1000 Гц 260±52 Ом, хотя допускаются и другие его значения. Час- тотная характеристика телефона должна укла- дываться в допусковую область, изображен- ную на рис. 6.6, а. Коэффициент гармоник на частоте 1000 Гц не должен превышать 5 % при подведении мощности 1 мВ • А. Геомет- рические размеры телефона должны соответ- ствовать указанным на рис. 6.6, б. Основные параметры телефонов измеряют в камере искусственного уха, представляю- щую собой объем, соответствующий среднему объему слухового канала и ушной ракови- ны (6 см3) или только слухового канала (2см3) в зависимости от типа телефона (внешний или вкладной). Требования к громкоговорителям изло- жены в ГОСТ 9010—84 «Головки громкого- ворителей динамические прямого излучения» и ОСТ 4.383.001.85. Головин громкоговорите- лей должны выдерживать испытания на теп- лоустойчивость (до 60 °C), влагоустойчивость (до 93±2 % прн +30 °C), холодоустойчивость (—20...40 °C), ударную устойчивость, ударную прочность и виброустойчивость. Надежность громкоговорителей (акусти- ческих 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- рителя. Уровень характеристической чувстви- тельности (на расстоянии 1 м при подведении мощности 1 Вт), развиваемый головкой гром- коговорителя, должен быть ие менее 90 дБ. Он может быть меньше для головок громкогово- рителей, используемых в закрытых акустичес- ких системах и в системах с фазоинвертором, но не менее 84 дБ для низкочастотных головок и не менее 87 дБ для средиечастотных голо- вок и высокочастотных головок громкоговори- телей. Неравномерность частотных характе- ристик может составлять для встроенных и вы- носных акустических систем для среднечас- тотных головок громкоговрителей ±5 и 121
122
Рис. 6.4. Зависимость характеристик направленности группы излучателей, расположен- ных по дуге окружности с центральным углом: а —60°, б — 90°, в—120° от отношения d/k, являющегося параметром семейства характеристик (отношение диаметра базы к длине волны звука) ±7 дБ для головок громкоговорителей дру- гих видов: широкополосных, низкочастотных и высокочастотных. Стандартом предусмотрен ряд значений максимальной шумовой мощности для голо- вок громкоговорителей: 0,05; 0,10; 0,25; 0,50; 1,00; 1,50; 2,00; 3,00; 4,00; 6,00 10,00; 15,00; 20,00; 25,00 30,00; 35,00; 50,00; 75,00; 100,00 Вт. Номинальное электрическое сопротивле- ние головок следует выбирать из ряда: 4, 8, 16, 25 и 50 Ом. Суммарный коэффициент гармоник на час- тотах, входящих в номинальный диапазон частот при номинальном среднем звуковом давлении головок, предназначенных для от- крытых (встроенных и выносных) акустичес- ких 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- тических систем других видов установлены более жесткие нормы: 40 Гц — 15 %; 63 Гц — 12 %; 80 Гц — 8 %; 125 Гц — 8 %; для час- тот 200, 400 и 630 Гц — не более 5 % и для частот 1000, 2000, 4000, 6300, 8000, 10 000 и выше — не более 3 %. Суммарный коэффициент гармоник голо- вок громкоговорителей с номинальным диапа- зоном частот 315...5000 Гц и уже не должен Рис. 6.5. Экспериментальная зависимость характеристики направленности экспонен- циальных рупоров 123
044 max Рис. 6.6. Допуски: а — иа область частотной характеристики телефона. б — иа его габаритные размеры быть более 5 % в номинальном диапазоне час- тот. Установочные размеры головок громкого- ворителей приведены в табл. 6.1 и 6.2 в со- ответствии с рис. 6.7. Громкоговорители не должны дребезжать при подведении к ним синусоидального сигна- ла номинальной мощности в полосе частот 6Т частоты основного резонанса до верхней час- тоты 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- ческая»; условного обозначения из буквен- но-цифрового индекса, в котором первые шиф- ры — максимальная шумовая электрическая мощность; буквы: ГД — головка динамичес- кая и соответствующий вид головки: Н (низ- кочастотная), С (средиечастотная), В (высоко- частотная), Ш (широкополосная); последую- щие 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- каемой в двух и более модификациях, допол- нительно указывают частоту основного резо- нанса. (Старые и новые наименования головок громкоговорителей и их основные характерис- тики будут даны в табл. 6.7.) В соответствии с ГОСТ 23262—83 «Системы акустические» по электрическим и электро- акустическим параметрам акустические систе- мы 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- ристики звукового давления акустических сис- тем приведены на рис. 6.8. На рис. 6.9 по- Рис. 6.7. Установочные размеры диф- фузорных головок громкоговорите- лей: а — круглых, б — эллиптических 124
Таблица 6.1. Допуски иа установочные размеры круглых головок громкоговорителей в миллиметрах D d, <4 / Номинальные значения Предельные отклонения номинальные значения предельные отклонения номинальные значения иределиьые отклонения 25,0* —1 3,2 20,0 ±0,5 31,5* —2 3,2 -— — 25,0 ±0,5 40,0 —2 3,2 — 31,5 ±0,5 50,0 —2 3,2 — 40,0 ±0,5 63,0 —2 4,3 •— — 50,0 ±0,5 80,0 —2 5,0 — — 80,0 ±0,5 125,0** —3 5,0 114,0 ±0,6 100,0 ±0,5 160,0** —3 5,0 148,0 ±0,5 125,0 ±0,5 200,0** - 5 5,5 184,0 ±0,5 160,0 ±1,0 250,0** —5 5,5 233,0 ±1,0 200,0 ±1,0 315,0** —5 6,5 295,0 ±1,0 250,0 ±1,5 * Для крепления допускается использовать диффузородержатель с ушками или без ушек и устано- вочных отверстий. ** Предпочтительно изготовлять диффузородержатель в соответствии с рис. 6.7, б. казано определение неравномерности частот- ной характеристики по звуковому давлению акустической системы. Номинальную элек- трическую мощность акустической системы следует выбирать из ряда: 3, 6, 10, 15, 25, 35, 50, 75, 100 Вт. Наименование акустической системы долж- но состоять из слов «Система акустическая»; условного обозначения (торгового названия) из букв и цифр, означающих: первые две циф- ры — номинальную электрическую мощность, буквы АС — сокращенное наименование акус- тической системы, третья цифра — группу сложности акустической системы, четвертая и пятая цифры — порядковый номер разработ- ки модели; обозначения настоящего стандар- та. Следующая группа громкоговорителей, требования к которым нормируются ГОСТ 5961—84, —это абонентские громкого- ворители, используемые в радиотрансляци- онных сетях. Их электроакустические пара- метры приведены в табл. 6.4. Помимо або- нентских однопрограммных громкоговорите- лей широкое распространение полуличи при- емники трехпрограммные проводного веща- ния, требования к которым сформулированы в ГОСТ 18286—82. Эти, приемники, или, как их называют, трехпрограммныме громкого- ворители, по своему устройству содержат, Т а блица 6.2. Допуски на установочные размеры эллиптических головок громкоговорителей в миллиметрах А В f £ номинальные значения предельные отклонения номинальные значения предельные отклонения номиналь- ные значения предельные отклонения номиналь- ные значения предельные отклонения 20,0* —1 31,5 —2 3,2 16,0 ±0,5 25,0 ±0,5 25,0* —1 40,0 —2 3,2 20,0 ±0,5 31,0 ±0,5 35,5* —2 50,0 —2 3,2 25.0 ±0,5 40,0 ±0,5 40,0 —2 63,0 — 2 3,2 31,5 ±0,5 50,0 ±0,5 50,0 —2 80,0 —2 4,3 40,0 ±0,5 63,0 ±0,5 63,0 —2 100,0 —2 4,3 50,0 ±0,5 80,0 ±0,5 80,0 —2 125,0 —3 5,0 63,0 ±0,5 100,0 ±0,5 100,0 —2 160,0 —3 5,0 80,0 ±0,5 125,0 ±0,5 125,0 —3 200,0 —5 5,0 100,0 ±0,5 160,0 ±0,5 160,0 —3 250.0 —5 5,5 125,0 ±1,0 200,0 ±1,0 200,0 —5 315,0 —5 5,5 160,0 ±1,0 250,0 ±1,0 250,0 —5 400.0 —5 6,5 200,0 ±1,0 315,0 ±1,0 * Для крепления допускается использовать диффузодержатель с ушками или без ушек н установоч- ных отверстий. 125
Таблица 6.3 Параметр Норма по группам сложности 0 1 2 3 Диапазон воспроизводимых частот, Гц, не уже 25 ..25 000 40... 16 000 63... 12 500 190 ..8000 Отклонение частотных характеристик зву- кового давления, усредненных в октавных полосах, между любыми двумя акустиче- скими системами конкретного типа, дБ, не более 2 3 4 Среднее звуковое давление при номиналь- ной мощности, Па (дБ), не менее, в диапа- зоне частот, Гц 100 ..8000 1,0 (94) 1,0 (94) 0,8 (92) 200...4000 — —- — 0,63 (90) Суммарный характеристический коэффици- ент гармоник при электрической мощности, соответствующей среднему звуковому дав- лению, на 4 дБ ниже указанного в п. 3 таблицы значения, %, не более, в диапазо- нах частот 250... 1000 2 2 3 4 1000...2000 1.5 1,5 2,5 3,0 2000...6300 1,0 1,0 2,0 3,0 Электрическое сопротивление, номинальное значение, Ом 4 или 8 4 или 8 4 или 8 4 или 8 Масса, кг, не более 63 20 12,5 5 Примечание. Допускается отклонение значения модуля полного электрического сопротивления от но- минального зиачеиия не более 20%. помимо обычного абонентского громкоговори- теля еще электронную схему, состоящую из входного селективного устройства и усили- теля звуковых частот. Эта схема нуждается в питании, и поэтому такие приемники имеют два шнура — один сетевой, другой сигналь- ный, который следует включать в розетку ра- диотрансляционной сети (и не путать!). По- мимо первой программы, передаваемой зву- ковыми частотами, такой приемник может при- нимать 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- сети мощность порядка 4 Вт. По своим элек- троакустическим параметрам приемники трех- программного вещания соответствуют второй группе сложности (см. табл. 6.4). По качеству звучания они превосходят абонентские гром- коговорители вследствие применения более совершенной головки громкоговорителя Бла- годаря малым габаритам, невысокой стои- мости и простоте в обращении, такие прием- ники получили широкое распространение в СССР. В000 Уровень _______________среднего \зву нового удавления, зг ! 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 Норма по группам сложности 1 2 3 Номинальное напряжение, В 30 30 30 Диапазон1 воспроизводимых частот, Гц, не уже при не- 63... 12 500 100.12500 160..7100 равномерности частотной характеристики по звуковому давлению, дБ, не более 63... 10 000 12 100.. 10 090 14 100 6300 15 Модуль полного входного элекрнческого сопротивле- ния, определяемый при номинальном напряжении, при положении регулятора громкости, соответствующем максимальной громкости, Ом, не менее, на частотах: 120 кГц 4000 4000 4000 78 кГц 4090 4000 4000 400 Гц 1800 3600 6000 50 Гц 1800 2900 4800 Среднее звуковое давление при номинальном напряже- нии в диапазоне частот 315 4000 Гц, Па, не менее 0,4 0,3 0,25 Суммарный коэффициент гармоник при номинальном напряжении, %, не более, в диапазонах частот, Гц: 80...100 10 свыше 100 до 200 7 7 — » 200 до 400 4 4 5 » 400 до 2000 3 3 3 » 2000 . 2 2 2 Диапазон регулирования громкости, дБ, не менее 46 40 35 42 36 32 В числителе указаны нормы для высшей категории качества, в знаменателе — для второй категории качества Для сети проводного вещания Москвы громкоговорители следует изготовлять рассчитанными на работу прн номинальном напряжении 15 В со снижением входного сопротивления в 4 раза Нормированы требования и к рупорным громкоговорителям, предназначенным для зву- коусиления и озвучения помещений и откры- тых пространств (ГОСТ 12089—66). Их электроакустические параметры приведены в табл. 6.5. Рупорные громкоговорители должны изго- товляться на номинальную мощность 10, 25, 50 и 100 Вт и иметь две ступени переключе- ния, при которых подводимая мощность со ставляла бы соответственно половину и чет- верть номинальной для данного типа. Преду- сматривается, что громкоговорители могут работать от любого из следующих напряжений: 30, 120. 240 В. Испытываются они предвари- тельно соответственно на напряжения 500, 1500 и 2000 В от сети с частотой 50 Гц. Естественно, что к рупорным громкогово- рителям предъявляют требования повышенной устойчивости к климатическим факторам, уда- Таблица 6 5. Нормы на параметры рупорных громкоговорителей Параметр Норма по классам I II ш IV Номинальный диапазон частот, Гц, не уже Неравномерность частотной характеристики в номинальном диапазоне частот, дБ, не 80... 100 000 100..6300 200... 1000 500...3550 более 15 15 15 15 Коэффициент гармоник, %, не более, при номинальной мощности в установленном диапазоне частот: до 400 Гц включительно 7 7 10 10 свыше 400 Гц 5 5 — — Примечание. Среднее стандартное звуковое давление и характеристика направленности в плоскостях малой и большой баз должны быть указаны в технических условиях иа конкретный тип громкоговорителя 127
Рис. 6.9. Пример оценки неравномерности частотной характеристики по звуковому давлению акустической системы: дБ) в диапазоне частот 40... 19 000 Гц) / — результирующая частотная характеристика, 2 — частотная характеристика НЧ и ВЧ головок, вклю чениых через разделительные фильтры соответственно первого н третьего порядка, 3 — частотная характеристика СЧ головки, включенной через разде лительиый фильтр первого порядка
рам и вибрациям. Для проверки этого их ис- пытывают на ударную устойчивость с уско- рением 10g, ударную прочность с ускорением 15g, виброустойчивость с ускорением 3g в диапазоне частот 10...70 Гц, теплоустойчи- вость при +60 °C, на холодоустойчивость при —50 °C, влагоустойчивость до 95±3 % и на брызгозащищенность при силе дождя 5±1 мм/мии. 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- лено на рис. 6.10, а. Принцип действия электромагнитного те- лефона заключается в следующем На посто- янный магнитный поток магнитной системы, состоящей из постоянного магнита 2 и магни- топровода (полюсных наконечников) 3, на- кладывается переменный поток звуковой час- тоты, создаваемый катушками 4, надетыми на магнитопровод. К этим катшукам подводится напряжение звуковой частоты. Перед полюс- ными наконечниками находится ферромаг- нитная диафрагма 5. При воздействии совокуп- ности постоянного и переменного магнитных потоков, пронизывающих диафрагму, возни- кает сила, приводящая в колебания послед- нюю, так как эта сила изменяется в такт с пе- ременным магнитным потоком. При своих колебаниях диафрагма создает звуковые коле- бания в ушной раковине и слуховом проходе. Устройство электромагнитного громкоговори теля отличается от описанного тем, что перед полюсными наконечниками находится не ди- афрагма, а якорь, приводящий в колебания скрепленную с ним диафрагму (диффузор), из- лучающую звук в окружающую среду. Не- сколько сложнее бывает и конструкция маг- нитной цепи Частотная характеристика чувствитель- ности телефона представлена на рис. 6.11. Так как при одинаковых отдачах телефоны разного сопротивления будут иметь различные величи- ны чувствительности, то для того чтобы иметь возможность сравнивать по отдаче телефоны разного сопротивления, используют понятие приведенной чувствительности, под которой понимают величину Мпр = Л1т 1^1 ^т1/^ст» Рис 6 10. Устройство телефонов: а — ТК-47: / — корпус; 2 — дугообразные магниты с полюсными наконечниками; 3, 4 — катуш- ки; 5—ферромагнитная диафрагма, свободно лежащая чна выточке в корпусе; 6 — защитный экс- цельсноровый диск; 7 — крышка с отверстиями, завальцоваииая вокруг выступа корпуса; б — ТА-4: / — корпус; 2— постоянный магнит с полюсными наконечниками 3; 4—ферромагнитная диа- фрагма, прижимаемая навинчивающейся крышкой 7; 5 — акустическая перегородка с двумя от- верстиями 6. затянутыми шелком; в — ДЭМК-ба: 1— герметизированный корпус; 2 — постоянные магниты; 3—полюсные наконечники; 4— якорь, соединенный штоком 5 с диафрагмой 6; 7 — немагнитное основание; 8—крышка с отверстиями; 9— гайка; 10—винт, регулирующий поло- жение якоря; // — керамическая пробка 5 Зак. 1688 129
Рис. 6.11. Частотные характеристики телефо- нов ТК-47, ДЭМК-ба, ДЭМК-71 где Л4пр — приведенная чувствительность те- лефона, Па/В; Л1т — его чувствительность; |ZT| — модуль его электрического сопротив- ления; ZCT — стандартное сопротивление, ко- торое 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- стоянному току 130 Ом. Этот телефон находит применение в телефонных аппаратах. В пе- реговорных 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, многорезоиансный контур. По- этому частотная характеристика телефона относительно равномерна (рис. 6.11). Его средняя чувствительность в диапазоне 300... ...4000 Гц; 3 па/В при сопротивлении посто- янному току 2200 0м и 15 Па/В при сопротив- лении 65 Ом Простую резонансную систему, но более сложную (дифференциальную) магнитную сис- тему имеет телефон ДЭМК-6А (рис. 6.10, в). Для того чтобы при изменениях атмосферного Рис. 6.12. Аналоговая электрическая схема те- лефона ТА-4: т0, с0, г0 — масса, гибкость н активное сопротивле- ние диафрагмы; Ci — гибкость воздуха в объеме над диафрагмой 4; т2, г2 — масса и активное сопротив- ление воздуха в отверстиях 6; cs — гибкость возду- ха в корпусе под акустической перегородкой 5; с3 — гибкость воздуха в объеме между диафрагмой и крышкой; т3, г3 — масса и активное сопротивле- ние воздуха в отверстиях крышки; — гибкость воздуха в объеме между телефоном и ухом давления его диафрагма не прогибалась внутрь или не выпучивалась, телефон снабжен кера- мической пробкой, пропускающей воздух, но не пропускающей влагу. Средняя чувстви- тельность телефона 20 Па/В при сопротивле- нии постоянному току 130 Ом. Несколько от- личается от него телефон ДЭМК-7Т. В нем нет керамической пробки, а в основании 7 проделан ряд отверстий, что делает его экви- валентную схему многорезонансной, такой же, как и у телефона ТА-4. Электрическая эквивалентная схема телефона ДЭМК-6А та- кая же, как у телефона ТК-47. Частотные ха- рактеристики телефонов ДЭМК-6А и ДЭМК-7Т также приведены на рис. 6.11. При сравнитель- ном рассмотрении этих характеристик следует иметь в виду, что они не приведены к стандарт- ному сопротивлению 600 Ом и поэтому распо- лагаются на разных уровнях Для прослушивания радиопередач, зву- кового сопровождения телевидения и звуко- записей применяют другие типы телефонов, преимущественно стереофонические. Боль- шая часть выпускаемых стереофонических те- лефонов — электродинамические. В качестве примера приведем конструкцию телефона ТДС-1 (рис. 6.13, а). В корпусе 2 находится миниатюрная элект- родинамическая головка громкоговрителя 1 с диффузором или с полусферической диафраг- мой. Пространство между ним и корпусом за- полнено звукопоглощающим материалом (по- ролоном) 5. Перед громкоговорителем нахо- дится перфорированная решетка 3. К краю корпуса примыкает мягкий амбушюр, при- жимаемый к ушной раковине. Этот телефон (в паре) позволяет получить высококачест- венное воспроизведение, особенно низких час- тот, при малой подводимой мощности, обеспе- чивая очень хороший стереофонический эф- фект и довольно надежно звукоизолирует слушателя от внешних шумов, а окружаю щих людей — от звуков воспроизведения. Устройство квадрафонического телефона схематически показано на рис. 6.13,6. Его основное отличие в том, что на каждое ухо воздействуют два электродинамических пре- образователя — миниатюрных громкоговори- теля. Здесь 1 и 2 — соответственно преобра- зователи переднего и заднего каналов (скажем, правых). Так же устроен телефон переднего и заднего левых каналов. Преобразователи пе- редних каналов располагаются прямо против входа в слуховые каналы ушей, а задних — смещены за ушную раковину, что несколько ослабляет высокие частоты. Иногда оба пре- образователя включаются через специальный электрический контур, позволяющий под- черкнуть низкие частоты для одного преобра- зователя и высокие для другого. Известны головные телефоны, построен- ные на электродинамическом принципе, но без применения миниатюрных головок гром- коговорителей. Наиболее известный из них — так называемый изодинамический Он состоит из магнитной системы и диафрагмы. Ориги- нальная магнитная система, в свою очередь, 130
Рис. 6.13. Устройство телефонов: а — ТДС-1: 1— малый электродинамический громкоговоритель; 2—корпус; 3— перфорированная решетка; 4 — мягкий амбушюр, прижимаемый к ушной раковине; 5 — звукопоглощающий мате- риал— поролон; 6 — контакт; б — квадрафонического; I, 2— громкоговорители переднего и тыло вого каналов; 3 — амбушюр; 4 — корпус; в и г — нзодинамнческого состоит из двух дискообразных магнитов, на- пример из феррита бария, намагниченных та- ким образом, что каждый из ннх имеет три па- ры полюсов. Скажем, центральная часть, ог- раниченная окружностью, имеет полярность N, следующая кольцевая — S и наружная кольцевая — N (рис. 6.13, в). Таким образом, по поверхности магнита проходят два ради- альных магнитных потока. Так же намагни- чен и второй магнит. Магниты по всей своей плоскости перфорированы, для того, чтобы обеспечить проход звука через отверстия при колебаниях диафргамы из синтетической плен- ки, натянутой между магнитами на равных расстояниях от поверхности каждого из них. На пленку нанесен проводник в виде спирали. В том месте, где встречаются противополож- но направленные потоки (окружность, прохо- дящая через точку А на рис. 6.13, г), витки спирали идут в обратном направлении. Таким образом, сохраняется одно и то же взаиморасположение магнитного поля н элек- трического тока. Благодаря тому, что диаф- рагма такого телефона возбуждается по всей поверхности, он очень эффективен, имеет рав- номерную частотную характеристику и нич- тожные нелинейные искажения. Некоторое распространение в настоящее время получили электростатические телефоны (см. рис. 6.2, а). Между двумя неподвижны- ми перфорированными для пропускания звука пластинами 2 находится подвижная пластина 1, подсоединенная к одному из выводов источ- ника постоянного напряжения (напряжения поляризации), равного практически в сред- нем 100 В. Другой вывод источника напряже- ния поляризации подсоединен к средней точке вторичной обмотки трансформатора, к вы- водам которой присоединены неподвижные пластины Первичная обмотка трансформатора присоединена к выходу усилителя. Все плас- тины находятся в корпусе, снабженном амбу- шюром, как и другие типы телефонов (рис. 6.14, а). Конструкции телефонов пред- усматривают. чтобы напряжение поляриза- ции не могло попасть на слушателя. Электростатический телефон обладает вы- сокими качественными показателями. ff) Рис. 6.14. Телефоны- а — электростатистнческий: 1 — крепление капсюля; 2 — корпус; 3 — капсюль; 4 — внутренний объем; 5 — защитная мембрана; 6 — защитная решетка; 7 — отверстие в прокладке; 8 — мягкий амбушюр; б — пьезоэлектрический: / — диафрагма; 2— мягкий ам- бушюр; 3 — мягкая подушка их поропласта, при- крытая с тыльной стороны перфорированной пла- стинкой 51 131
g Таблица 6.6. Основные параметры отечественных телефонов кэ Тип Частотный диапазон, Гц Модуль электриче- ского сопротивле- ния, Ом Отдача средняя, Па Габаритные размеры, мм Масса, г Назначение Электромагнитные ТК-67-Н 300...3400 260 8...14 0 48X25 60 В телефонном аппарате ТКЭД-7 300...3400 260 14...21 0 48X24,5 60 То же ТА-4 300...4000 65 15 0 51X24,5 60 То же, и в аппаратной свя- зи 2200 3 То же ТК-47 300...3000 130 15... 17 0 42X14 35 В аппаратной связи ТА-56М 300...3000 300, 600, 10 000 5.5...10 0 24X21,5 150 То же ТГ-7М 300...3000 150 8...14 на 1 В 0 65X180X125 ТГ-9 200...6000 5000 6 0 42X165X135 170 ТОН-2 300...3000 12 000 4 170 В радиоприемнике ТМ-4 300...3000 50 1,7 0 15X22 100 То же, вкладной ТМ-2 300...3000 450 4,5 0 22X11,7 20,0 В слуховом аппарате ТМ-3 ДЭМ-4М 300...3000 600 28 0 55X30 160 В аппаратной связи Электродинамические ТДК-1 100...5000 160 10 иа 1 В 0 52X26 115 То же ТД-6 100...5000 140 10 на 1 В 0 52X26 ПО Измерительный для конт- роля звукозаписи 12А-25 40... 16 000 60 6 на 1 В 365 Для контроля звукозаписи
Таблица 6.6а. Основные параметры отечественных стереофонических головных телефонов Тип телефона Диапазон воспроиз- водимых частот, Гц Номиналь- ное электри- ческое со- противле- ние, Ом Отдача средняя. дБ/мВт Принцип преобразования Максималь- ная шумо вая мощ- ность, мВт Масса, г Особенности конструкции ТДС-1 40... 16 000 10 94 Динамический 500 500 Прижимной, закрытый ТДС-2 40...20 ООО 100 94 » 100 Прижимной, открытый тдс-з 20...20 ООО 8 94 Головка 0.5ГД-36 100 Прижимной, закрытый ТДС-4 20...20 ООО 16 94 Головка 0.5ГД-50 100 То же ТДС-5 20...20 ООО 100 90 Ортодинамический 100 350 Прижимной, открытый ТДС-6 20...20 000 8 94 Динамический 100 420 Прижимной, закрытый ТДС-7 20...20 ООО 8 91 Изодинамический 100 400 То же ТПС-1 20...20 ООО 4000 пФ 94 Пьезопленочный » ТДС-9 20...20 ООО 32 94 Капсюльный динамический 100 65 Вкладной, открытый ТДС-10 20...20 ООО 8 94 Головка 0.5ГД-54 100 300 Прижимной, открытый ТДС-11 20...20 000 8 94 То же 100 270 То же ТДС-12 20...20 ООО 8 94 100 300 > ТДС-13 20...20 000 40 104 Капсюльный динамический 100 45 > ТДС-14 20...20 ООО 40 104 То же 100 80 ТДС-15 20...20 ООО 16 91 Изодинамический 100 300 ТДС-17 20...20 ООО 100 94 Капсюльный динамический 50 60 ТДС-22 20...22 000 100 94 То же 100 16 Вкладной, открытый
В последнее время В связи с разработкой пьезоэлектрических синтетических пленок появились пьезоэлектрические телефоны. Фир- ма «Пайонир» (Япония) применяет для своих телефонов поливнннлиденфлуоридную плен- ку. Эту пленку можно делать разной толщи- ны (8...30 мкм). Она имеет малую жесткость н удовлетворительные пьезоэлектрические па- раметры. Конструкция пьезоэлектрческого те- лефона на основе пленки изображена на рис. 6.14,6. Качество этого телефона доста- точно высокое. Прн этом он не требует напря- жения поляризации. Параметры наиболее рас- 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 н нижнего 8 фланцев, керна 10, со- Рис. 6.15. Устройства головки электродинамического громкоговорителя (а) н магнит- ной системы изодннамического громкоговорителя (б): /-постоянные магниты; 2—перемычки из магнитомягкого железа; 3- магнитные силовые ли нии; устройство подвижной системы излучателя-трансформатора (в), эскиз металлического диф Фузора сотовой конструкции (г) и устройство коаксиальной двухполоской головки громкоговори теля (<?): 1— 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; 6 — звуковая катушка СЧ-ВЧ головки, намотанная алюминиевым проводом, 7 — горло СЧ-ВЧ ру- пора с протнвоинтерференциоинымн каналами; 8—диафрагма рупорной средне- высокочастот ной головки 9 — дополнительный шунт магнитной цепи, увеличивающий плотность магнитного потока в зазоре НЧ звуковой катушки; 10 — центрирующая шайба (нижиий подвес) НЧ. диффу зора; //—диффузородержатель- 12 — плазменный громкоговоритель фирмы «Магнат» (е) 134
ставляющйх магнитопровод, в радиальном на- правлении проходит постоянный магнитный поток В этом зазоре центрирована так назы- ваемая звуковая катушка 11, к которой с по- мощью особо гибких проводников 13 при- ложено переменное напряжение звуковой частоты. Звуковая катушка обычно имеет четное число слоев обмотки, чтобы ее начало и конец были с одной стороны. Ток. проходя че- рез катушку, взаимодействует с постоянным магнитным потоком и создает электродинами- ческую силу, приводящую в колебания ка- тушку и скрепленную с ней диафрагму (диф- фузор) 2. Диффузор, обычно бумажный, представляет собой конус, имеющий в основа- нии окружность или эллипс и прямую или кри- волинейную образующую. По внешнему краю диффузор имеет гофрированный (верхний) подвес 3. Назначение верхнего подвеса — обеспечить диффузору возможность колебать- ся поршнеобразно в широком диапазоне час- тот и увеличить диапазон линейной зависи- мости сигнала — смещение диффузора. У своей вершины диффузор, а вместе с ним и зву- ковая катушка удерживаются в коаксиаль- ном относительно воздушного зазора магнит- ной цепи положении с помощью центрирующей шайбы 4. Эта шайба также гофрирован- ная, охватывает по внутреннему контуру вершину диффузора в месте прикрепления кар- каса звуковой катушки, а по внешнему — крепится к специальному кольцу или полке, выполненной на диффузородержателе 5 По- следний является основой конструкции го- ловки громкоговорителя. Для мощных широ- кополосных и низкочастотных головок днффу- зородержатель изготовляют из силумина, а для менее мощных штампуют из листовой ста- ли. Диффузородержатель имеет окна (см рис. 6.15, а), назначение которых — исклю- чить возникновение стоячих волн с тыльной стороны диффузора Вершина конуса диффу- зора заклеена противопылевым колпачком 1, который может изготовляться как из акус- тически прозрачного материала, так и из акус- тически непрозрачного, жесткого, как на рис. 6.15,о. В последнем случае такой кол- пачок выполняет также функцию дополни- тельного излучателя для высоких частот и с целью исключения появления компрессии воздуха под ним прн больших амплитудах ко- лебаний диффузора, в каркасе звуковой ка- тушки делают антикомпрессионные отверстия 12. Для более эффективного отвода тепла от звуковой катушки мощные головки громко- говорителей снабжаются радиатором 9, на- деваемым на магнитную систему и имеющим ребра. Такой радиатор выполняет также функ- ции магнитного экрана, уменьшающего маг- нитный поток рассеяния, и защитной крышки, предохраняющей хрупкий постоянный маг- нит от случайных повреждении. Магниты изготавливают из материала с большой магнитной энергией. В СССР в на- стоящее время в основном используют три ви- да материалов (см § 4 6). Это — феррит бария марки 2БА для изготовления прессованных кольцевых магнитов. Материал имеет макси- мальную удельную магнитную энергию 2 10е Гс - Э. В последнее время начали вы- пускать, хотя и в незначительном объеме, маг- ниты из материала 3,2БА, в который входит стронций. Его максимальная удельная маг- нитная 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- лучить 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- нита, имеющего максимальную удельную маг- нитную энергию 4 • 10° Гс • Э, отливают маг- ниты либо в форме колец (полых цилиндров), либо в форме цилиндров, используемых конст- руктивно как керны. Иногда эти керны отли- вают 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 10й Гс • Э. Магниты из него льют только керновые. Экономически выгоднее прессованные маг- ниты, 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- телей, частью которых они являются, наблю- дается заметный поток рассеяния, что недо- пустимо при применении этих громкоговори- телей в телевизорах, где поток утечки иска- жает «картинку», в радиоприемниках с маг- нитной антенной,где он изменяет настройку, и в магнитофонах, где при близком рас- положении 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- ется магнитом, полюсный наконечник) жела- тельно делать нз магнитомягкого материала с возможно большой магнитной проницаемо- стью для уменьшения сопротивления магнит- ному потоку. Несмотря на то что такие мате- риалы выпускают (например, пермендюр), из экономических и технологических сообра- жений применяют обычные малоуглеродис- тые стали СТ-3 и СТ-10, не применяя терми- ческой обработки (отжига) деталей нз них. Звуковую катушку изготавливают из мед- ного провода марки ПЭЛ Витки ее скреп- ляют между собой и каркасом (обычно из ка- бельной бумаги) клеем. Редко для звуковых катушек высокочастотных головок громко- говорителей для уменьшения массы катушки применяют алюминиевый провод. Диффузор является важнейшей частью го- ловки громкоговорителя. Его форма и мате- риал оказывают большое влияние на ее харак- теристики. В настоящее время наиболее упот- ребительный материал — сульфатная или суль- фитная целлюлоза, в некоторых случаях с оп- ределенными добавками. Диффузоры изго- 135
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- нению путем прессования. В более дешевых головках громкоговорителей вместе с диффу- зором отливается и подвес, конструктивно являющийся его частью, но имеющий мень- шую толщину. В более дорогих головках гром коговорителей подвес изготавливают из спе- циальных сортов резины или пенополиурета- на. Конструкции диффузорных электродина- мических головок громкоговрителей, вооб- ще говоря, сходны между собой, имея лишь некоторые конструктивные различия. Поэто- му опишем лишь некоторые их типы отечест- венного производства, а именно: низкочас тотную 25ГД-26, высокочастотную 2ГД-36 и головку громкоговорителя широкого при- менения 2ГД-38. Головка громкоговорителя 25ГД-26 (рис. 6 16) диаметром 200 мм предназначает- ся для применения в качестве низкочастот- Рис. 6.17. Головка громкоговорителя высоко- частотная 2ГД-36 него звена излучающих акустических систем. В В ее магнитной системе используется магнит кольцевой формы 1 из сплава ЮНДК-24. В воздушном зазоре магнитной системы на- ходится звуковая катушка 4 диаметром 40 мм с обмоткой в два слоя из 85 витков медного провода ПЭЛ 0,27. Катушка приклеена к круг- лому бумажному диффузору с криволинейной образующей 2 Примерно в этом же месте с внешней стороны диффузор охватывается плоской гофрированной центрирующей шай- бой 5. Выводы от звуковой катушки припаяны к контактной планке 6, закрепленной на диф- фузородержателе 8. По внешнему периметру диффузор приклеен к кольцевому подвесу 7, опрессованному из резины на основе натураль- ного каучука. Поперечный профиль подвеса — полуокружность. По внешнему периметру подвес приклеен к диффузородержателю. По внутреннему периметру диффузора несколько выше линии приклеивания катушки к нему приклеен колпачок 3, имеющий форму шаро- вого сегмента и предназначенный для зашиты 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- теля 2ГД-36 имеет (рис. 6.17) эллиптическую форму с размерами осей 50 х 80 мм. Она пред- назначена для применения в излучающих акустических системах. В ее магнитной сис- теме использован магнит керновой формы из сплава ЮНДК-24. Диаметр звуковой ка- тушки 15 мм намотана проводом ПЭЛ 0,1. Диффузор имеет криволинейную образую- щую 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
Таблица 6 7. Основные параметры отечественных головок громкоговорителей Название головки: по ГОСТ 9010-78 По. ОСТ 4.383.001-85 Частота основного резонанса, Гц Диапазон воспроизводимых частот, Гц Неравномер- ность частотной характери- стики, дБ Уровень характерной чувстви- тельности, дБ/мВт Габаритные размеры в плане, мм Высота, мм Масса, кг 0.1ГД-17 0.25ГДШ-20-50 450 450...3150 16 90 0 59 18 0,03 0.1ГД-17М 0.25ГДШ-30-8 450 450...3150 16 83 0 59 13 0,025 0.25ГД-10 0.5ГДШ-1-8 290 315...5000 14 90 63X63 29,5 0,07 0.25ГД-19 0.5ГДШ-2-8 290 315...5000 14 90 63X63 21,7 0,115 0.5ГД-30 1ГДШ-1 16 125 125... 10 000 14 94 125X80 47 0,19 0.5ГД-31 1ГДШ-2-16 200 200... 10 000 14 91 125X80 46,8 0,19 9.5ГД-37 1ГДШ-3-8 315 315...7100 15. 94 80X80 37,5 0,135 1 ГД-48 2ГДШ-2-8 120 100... 10 000 12 94 160X100 63 0,33 1ГД-50 1ГДШ-4-8 189 180...8000 12 90 юохюо 36 0,20 1 ГД-54 2ГДШ-3-8 125 125...10 000 16 93 125X80 47 0,19 1 ГД-55 1ГДШ-5-4 180 200... 10 000 16 90 125X80 36,5 0,19 2ГД-38 ЗГДШ-1-8 100 100... 12 500 12 90 160X100 58,0 0,25 2ГД-40 ЗГДШ-2-4 100 100...12 500 12 92 160X100 47 0,32 2ГД-40А ЗГДШ-2-8 100 100...12 500 12 92 160x100 47 0,32 ЗГД-32 6ГДШ-1-4 75 80... 12 500 10 09 160X125 77 9,48 ЗГД-38Е 5ГДШ 1-4 80 80... 12 500 15 99 0 160 55 0.30 3 ГД-40 5ГДШ-2-4 75 80... 12 500 14 90 0 160 58 0,40 ЗГД-42 5ГДШ-3-8 100 100...12 500 14 93 169ХЮ0 52 0,68 ЗГД-45 5ГДШ-4-4 80 80... 16 000 16 90 0 160 55 0,31 4ГД-8Е 4ГДШ-1-4 120 125...7100 14 94 125X125 49 0,62 4 ГД-35 8ГДШ-1-4 65 65... 12 500 16 92 200X200 75,5 0,88 4ГД-53 5ГДШ-5-4 130 100... 12 500 16 92 125X125 50 0,62 ЮГД-ЗОЕ 20ГДН-1-8 40 63...5000 15 86 200X200 80 1,20 югд-збк 10ГДШ-1-4 40 63...20 000 16 86 200X200 87 1,40 10ГД-34 25ГДН-1-4 80 63...5000 16 84 200X200 97 2,10 15ГД-14 25ГДН-3-4 80 63...5000 16 85 125X125 73 2,1 15ГД-17 25ГДН-4-4 40 40...5000 14 88 160X160 78 1 40 25ГД-26Б 35ГДН-1-4 40 40...5000 14 86 200X200 97 2,10 ЗОГД-2 75ГДН-1-4 25 30... 1000 . 12 87 250X250 124 6,0 30ГД-2А 75ГДН-1-8 25 30..1000 12 87 250X250 124 6,0 15ГД-11А 20ГДС-4-8 120 200..5000 10 89 125X125 74 1,30 1 ГД-56 1ГДВ-1-8 3000 5000... 16 000 12 88 40X40 29 0,10 2ГД-36 ЗГДВ-1-8 3000 3000...20 000 12 90 80X50 40 0,09 ЗГД-31 5ГДВ-1-8 3000 3000...20 000 14 90 юохюо 49 0,34 ЗГД-2 6ГДВ-1-16 4500 5000... 18 000 16 92 63X63 31 0,20 ЗГД-47 4ГДВ-1-8 2000 2000.. 20 000 12 91 65X65 44 0,35 6ГД-13 6ГДВ-4-8 3000 3000. 25 000 12 93 юохюо 45 0 90 10ГД 35 15ГДВ-1-16 3000 5000...25 000 12 93 юохюо 50 1,0 10ГИ 1-8 — 2000 2000...20 000 10 90 юохюо 25 0,40
Рис. 6.18. Головка громкоговорителя широко- полосная 2ГД-38 менения в открытых излучающих акустичес- ких системах радиоприемников, телевизоров, магнитофонов, проигрывателей и т. п. Она имеет эллиптическую форму с размерами осей 160 X 100 мм В ее магнитной цепи ис- пользован керновый магнит из 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- теля приведены в табл. 6.7. Помимо изодинамических телефонов в по- следнее время появились и изодинамические головки громкоговорителей в основном для излучения звука на средних и высоких часто- тах. Примером такого громкоговорителя яв- ляется выпускаемая у нас в стране высокочас- тотная головка 10ГИ-1. Находятся в стадии разработки и другие типы изодинамических головок. В отличие от показанного на рис 6 13, в и г устройства изодинамического телефона, магнитные системы и диафрагмы изодинамических головок громкоговорите- лей имеют, как правило, прямоугольную форму. Идея создания плоского диффузора, на котором действие электродинамической си- лы было бы распределено по всей поверх- ности, принадлежит Риггеру (1924 г), соз- давшему так называемый блатхаллер. В этом громкоговорителе к плоскому диффузору прикреплялась поставленная на ребро изог- нутая зигзагами металлическая лента, пря- молинейные участки которой входили в воз- душные 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- торых методом травления можно создавать токопроводящие покрытия любой конфигу- рации — звуковые катушки. Диафрагму с на- несенной на ее поверхности звуковой катуш- кой помещают между двумя плоскими магни- тными системами, обращенными друг к другу одноименными полюсами постоянных маг- нитов. выполненных в виде прямоугольных брусков. Конструкция магнитной системы изодинамического i ромкоговорителя приведе- на иа рис. 6.15, б. Известен еще один вид громкоговорителя, который также можно отнести к изодинамичес- кому, —это так называемый излучатель-транс- форматор, изобретенный в США докто- ром О. Хейлом. Диафрагма этого громкогово- рителя выполнена, как и у изодинамичес- ких, из тонкого пластического материала с на несенной на нее токопроводящей шиной в ви- де вертикальных зигзагов. Однако здесь на- правление магнитных силовых линий перпен- дикулярно плоскости диафрагмы, и в таком виде возникающая электродинамическая си- ла стремится сжать или растянуть диафраг- му и никакого излучения звука не происхо- дит С целью придания диафрагме подвижности ее гофрируют, создавая «а ней складки на- подобие складок занавеса таким образом, что бы 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- мы электродинамическая сила заставляет складки стягиваться или раскрываться, как меха аккордеона, в результате чего из про- странства между складками выталкивается или втягивается воздух, т. е. происходит излучение звука Свое название такой громкоговори- тель получил вследствие особенности работы: выталкивание воздуха подобно действию воз- душного трансформатора. Конструктивно гоф- рированная в производственных условиях диафрагма натянута на специальную рамку, которую потребитель может легко заменить в случае выхода из строя в процессе эксплуа тации. Громкоговоритель имеет массивную маг- нитную систему, полюса которой изготовлены в виде гребенки с горизонтальным расположе- нием гребней. Это сделано с целью демпфиро- вания 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- щихся 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- ная система таких головок ничем ие отлича- ется от традиционной, показанной на рис. 6.15,а. Диффузор таких головок пред- ставляет собой два листа алюминиевой фоль- ги (рис. 6.15, г), между которыми располо- жены поставленные на ребро и изогнутые в виде пчелиных сотов полоски такой же алю- миниевой фольги. Весь диффузор собран на клею и представляет собой чрезвычайно жест- кую и легкую конструкцию круглой или квад- ратной формы, периметр которой снабжен подвесом, закрепляемым на диффузородержа- теле. Привод от звуковой катушки к плоскому диффузору осуществляется через легкий ме- таллический усеченный конус, диаметр кото- 138
рого у вершины выбирается в соответствии с диаметром звуковой катушки, а со стороны, обращенной к диффузору, — исходя из рас- пределения изгибных волн на поверхности диффузора. В месте крепления конуса к зву- ковой катушке прикрепляют центрирующую шайбу (нижний подвес головки). Выбор места прикрепления приводного конуса к диффузо- ру позволяет расширить область поршне- вого действия диффузора до 800.. 900 Гц, в то время как у обычных низкочастотных голо вок громкоговорителей с бумажными диф- фузорами область поршневого действия не превышает 300...400 Гц. У нас в стране вы- пускают акустическую систему «Эстония» 35АС-021, в которой применяют головки гром- коговорителей с сотовыми диффузорами. Помимо головок громкоговорителей с ме- таллическими диффузорами сотовой конст- рукции, у нас выпускают также линейку головок громкоговорителей с металлическими диффузорами другой конструкции, используе- мую в акустических системах «Электрони- ка» типа I00AC-060, 50АС-061, ААС-062 и 100АС-063. Эта линейка головок громкогово- рителей не включена в табл. 6.7, поскольку они отдельно не поступают в розничную тор- говлю Металлический диффузор низкочастотной головкн выполнен в виде конуса из пористого никеля с пористостью 98 % и заклеен снару- жи алюминиевой фольгой для придания ему воздухонепроницаемости. При диаметре го- ловки 300 мм масса подвижной системы не превышает 45 г, что позволяет обеспечить уровень характеристической чувствительности 92 дБ/м"1/Вт. С учетом неизбежных потерь в разделительном фильтре характеристическая чувствительность перечисленных выше акус- тических систем «Электроника» составляет ООдБ/мф/Вт. Среднечастотная головка имеет куполообразный алюминиевый диффузор, а диафрагма высокочастотной головки изго- товлена также из алюминиевого сплава в виде кольца. Поскольку эти акустические системы способны развивать большое звуковое давле- ние при высоком качестве звучания, то их можно с успехом применять не только в быту, но и во дворцах культуры, клубах, на диско- теках и т. п. Еще одним важным достоинством гром- коговорителей с металлическими диф- фузорами является высокая степень повторяе- мости (идентичности) основных параметров от образца к образцу. Нельзя не упомянуть еще об одной конст- рукции коаксиальной двухполосной го- локи громкоговорителя, разработанной и вы- пускаемой на протяжение многих лет англий- ской фирмой «Тайной» Такие громкоговори- тели применяют в нашей стране в основном для профессиональной звукозаписи, на телеви- дении и в кинопроизводстве. Особенностью конструкции головки является соединение в одном блоке низкочастотной головки громко- говорителя диффузорного типа и рупорной средневысокочастотной головки, имеющей автономную подвижную систему с куполооб- разной диафрагмой Низкочастотный диффу- зор, имеющий криволинейную образующую, служит также в качестве продолжения высо- кокачественного 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- бочая полоса средне-высокочастотной голов- ки простирается до 18 кГц. Такой громкого- воритель выпускают в нескольких модифика- циях, отличающихся главным образом диа- метром низкочастотной головки. Он обеспечи- вает очень высокое качество звучания при высокой эффективности (до 94 дБ/mJ Вт.) Раз- рез конструкции коаксиальной головки при- веден на рис. 6.15, д. Существует еще один вид излучателей звука — так называемый ионизационный гром- коговоритель. Если считать достоинством ма- лую массу подвижной системы в любом гром- коговорителе, то ионизационный громкогово- ритель совсем не имеет подвижной системы и воздух возбуждается сам будучи предвари- тельно ионизирован с помощью, например, высокой температуры создаваемой в опре- деленном объеме. Изменяя мощность высоко- частотного сигнала, являющегося источником высокой температуры, в соответствии с на- пряжением звукового сигнала, т. е. осуществ- ляя модуляцию, получаем ионизационный громкоговоритель. В настоящее время иони- зационные или плазменные высокочастотные громкоговорители выпускает, например,фирма «Магнат» ФРГ. Громкоговоритель имеет марку МР-02 и представляет собой акустичес- ки прозрачную металлическую сферу, в центре которой расположен металлический электрод. При включении громкоговорителя над элек- тродом внутри сферы возникает фиолетовое излучение — образуется плазма, объем плаз- мы порядка 1 см3. Конструктивно громкогово- ритель объединен с усилителем-генератором. Диапазон рабочих частот такого громкогово- рителя 5...100 000 кГц, нелинейные искажения не превышают 1 % при уровне звукового дав- ления 90 дБ, внешний вид приведен на рис. 6.15, е. Довольно широкое применение для озву- чения, командной и диспетчерской связи имеют рупорные громкоговорители. Устройство элек- тродинамического рупорного громкоговорите- ля отличается от устройства диффузорного тем, что либо к диффузору примыкает рупор, назначение которого в данном случае — слу- жить концентратором и, следовательно, уве- личивать звуковое давление на оси рупора, либо со звуковой катушкой скрепляют диаф- рагму обычно куполообразной формы, а по периферии — гофрированный подвес. Диаф- рагма через акустическую камеру, представ- ляющую собой объем воздуха с входным се- чением, равным поверхности диафрагмы 5Д. своим выходным сечением примыкает к горлу рупора площадью So Эта камера играет роль 1.39
Рис. 6.19. Рупорный громкоговоритель 10ГРД-1У-5: а — внешний вид; б — устройство: 1 - противоннтерференционный вкладыш; 2 — куполообразная диафрагма; 3 — подвес; 4 — воздушный зазор магнитной системы; 5 — верхний фланец; 6 — по стоянный магнит; 7— ннжннП фланец; 8 керн с полюсным наконечником; 9— звуковая катуш- ка, 10— камера; П — горло рупора; в — аналоговая электрическая схема. 5(/5д— акустический коэффициент трансформации камеры; 5д— площадь диафрагмы- —площадь горла рупора; г - сопротивление излучения рупора; щц, г0— масса и гибкость подвижной системы; с, — гиб- кость воздуха в камере; г'—приведенное сопротивление излучения акустического трансформатора с коэффици- ентом трансформации 5|(/5д, согласующего ме- ханическое сопротивление подвижной систе- мы громкоговорителя с входным механичес- ким сопротивлением рупора, являющимся, по существу, сопротивлением нагрузки. По скольку конструктор имеет возможность изме нять коэффициент трансформации в широких пределах, то можно выбрать такой режим на грузки подвижной системы, при котором будут достигнуты выгодные условия передачи энер- гии колебаний рупору. В качестве примера их конструкции рассмотрим широко распростра- ненный громкоговоритель 10ГРД IV 5 (рис. 6.19, а). Устройство его головки пока- зано на рис 6 19, б. Аналоговая электрическая схема громко говорителя представлена на рис. 6.19, в, где через п Sn/Sn обозначен коэффициент акустической трансформации камеры; 5Д — площадь диафрагмы; S(, — площадь горла рупора; г„ — его сопротивление излучения, приведенное к горлу,; т„ са — масса и гиб кость подвижной системы; ct — гибкость воз духа 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. и) У него прямой (не свернутый) рупор примыкает прямо к диффузору под- движной системы Увеличение звукового дав ления на оси по сравнению с диффузорным громкоговорителем достигается здесь только из за концентрации звуковой энергии рупо- ром. Из других типов выпускаемых рупорных громкоговорителей отметим еще 10ГРД-6ИГАС (рис. 6.20 б) 25ГРД1¥-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- рукции в том. что блок, наполненный сталь- ными шариками, устанавливается в горле ру- пора. Эти шарики не препятствуют прохож- дению звуковых колебаний, но противодей- ствуют возможности проникновения во вне искры, которая может возникнуть в элект- рической цепи громкоговорителя и вызвать взрыв в окружающей среде. Громкоговоритель 25ГРД IV-5 предназначен для использования в запыленных помещения с химически агрес- сивными 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- коговорителей даны в табл. 6.8. Кроме конструктивно завершенных изде- лий. какими являются описанные выше ру- порные громкоговорители, имеются их типы, входящие в качестве составных элементов в ряд систем Так, например, основой электро- мегафона ЗПЭМ 5 (рис. 6.21), служащего для передачи команд и т. п., является электроди- намический громкоговоритель мощностью 3 Вт со свернутым рупором. Неравномерность его частотной характеристики 10 дБ в номи- нальном диазпазоне 710..3150 Гц и развива- ет звуковое давление в номинальном диапазо- не при полной мощности 6,5; Па на расстоя- нии 1 м. Его сопротивление на частоте 1000 Гц равно 20 Ом ± 10 °о. Особое внимание в конструкции электро- мегафона уделяется выбору и размещению микрофона, что очень важно для предотвраще- ния акустической обратной связи в системе микрофон — усилитель — громкоговоритель воздух. С этой целью в электромегафоне при- менен микрофон ДЭМШ, который укреплен так, что рот говорящего находится перед ним
Таблица 6.8. Основные параметры отечественных рупорных и радиальных громкоговорителей Тип Номинальные Модуль сопротивле- ния. Ом Рабочий диапазон частот, Гц Неравно- мерность АЧХ, дБ мощность, Вт напряже- ние, В Рупорные 10ГРД-1У-5 10 30 90 300...3550 15 120 1440 240 5760 10ГРД-1У-6 10 30 90 500...3550 15 120 1440 240 5760 10ГРД-6ИГАС 3 6,5 14 500...3550 15 25ГРД-1П-2 25 30 36 200...4000 15 120 576 240 2304 25ГРД-1У-5 25 30 36 500...3550 15 120 576 240 2304 25ГРД7-ВЗГ 10 30 90 500... 2000 18 25 30 36 50ГРД-Ш-8 50 30 18 200...4000 15 120 288 • 240 1152 100ГРД-П1-1 100 30 9 200...4000 15 120 144 240 576 Радиальные 10ГДН-1 10 30 120 240 90 1440 5760 800...8000 1 16 25ГДН-1 25 30 120 240 36 576 2304 80...8000 16
Среднее стандарт- ное звуко- вое давле- ние, Па Габаритные размеры, мм Масса, кг Назначение 1,5 524X476X390 8 Для озвучения 1,5 374X333X420 9 Для озвучения, пылехимостойкий 1,25 374X333X420 6 Искробезопасный 0,8 530X410X735 13 Для озвучения 1,5 317X333X415 12 То же 1,2 400X446X352 22 Взрывобезопасный 0,7 550X410X270 17 Для озвучения 1,5 1167X896X740 и 1018X714X740 43 То же 0,18 0 620X520 15 Для озвучения 0,25 0 788X667 26 То же
в непосредственной близости гораздо ближе устья рупора громкоговорителя. Кроме того, ось рупора находится в плоскости нулевой чув- ствительности микрофона. Все это и обес- печивает отсутсвие акустической обратной свя- зи. Применяют рупорные громкоговорители и в качестве высокочастотных звеньев много- полосных акустических систем. На рис. 6.22 в качестве примера приведен внешний вид вы- сокочастотного звена двух полосной акусти- ческой системы для кинотеатров. Обращает на себя внимание, что отдельные рупоры соб- раны здесь в «соты» и их устья расположены по сферической поверхности. Это сделано для расширения характеристики направленности, без чего изображенный комплект высокочас- тотных рупоров излучал бы звук узким пуч- ком, и поэтому для всех направлений, отлич- ных от осевого, уровень высоких часто, от носительно низких был бы очень малым Динамические диффузорные головки гром- коговорителей, как правило, не применяют без акустического оформления, необходимого для получения от них удовлетворительных ре- зультатов. Причина этого в том, что при коле- баниях диффузора без оформления сгущения воздуха, образуемые одной его стороной, ней- трализуются разрежениями, образуемыми другой его стороной. Применение же какого- либо оформления удлиняет путь колебаний воздуха между передней и задней сторонами диффузора, вследствие чего фазы соответст- вующих 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- нению с длиной волны. Поэтому применение оформлений сильно увеличивает эффектив- ность излучения на низких частотах. По кон- струкции оформлений, образующих совмест- но с головками громкоговорителей акустичес- кие системы, их можно разделить на встроен- ные и выносные. Встроенные системы отлича- ются тем, что одна или несколько головок громкоговорителей устанавливаются в том аппарате, оконечным звеном которого они яв- ляются. Такими системами обладает большин- ство типов радиоприемников, магнитофонов, электрофонов. Выносные системы, как ука- зывает их название, предстваляют собой от- дельную конструкцию, включаемую электри- чески на выход одного из вышенреречислен- ных аппаратов, или усилитель низкой частоты, в свою очередь, являющийся оконечным элек- трическим звеном электроакустического трак- та По области применения выносные системы можно разделить на абонентские громкогово- рители радиотрансляционных сетей провод- ного вещания, акустические системы быто- вой радиоэлектронной аппаратуры, звуковые колонки, имеющие в основном профессиональ- ное применение Для профессиональных целей находят применение и так называемые ради 6) Рис. 6.20. Рупорные громкоговорители: а — 25ГРД III 2. 6 — 1ОГРД 6 ИГАС; я — 25ГРД IV 5. г 25ГРД 7ВЗГ 142
альные громкоговорители, предназначенные для ненаправленного в горизонтальной плос- кости излучения. Устройство абонентских громкоговорите- лей просто. На передней стенке обычно пря- моугольного корпуса укрепляется головка громкоговорителя. Для абонентских громкого- ворителей III класса, в основном выпускае- мых промышленностью, применяются головки громкоговорителей типа 0.5ГРД42, ранее 1 ГД-30 На переднюю или боковую стенку вы- ходит ручка регулировки громкости, включае- мая в первичную (высокоомную) обмотку трансформатора, подключенную к абонентской сети. Во вторичную (низкоомную) обмотку включается головка. Внутренний объем кор- пуса абонентского громкоговорителя 2.. 4 л. Внутренний объем громкоговорителя II клас- са — 4. 6 л В качестве примера акустических систем бытовой аппаратуры рассмотрим трехполос- ный громкоговоритель типа 35АС-013; внеш- ний вид которого показан на рис. 6.23, а ос- новные технические характеристики приведены в табл. 6 9 К особенностям данного громко- говорителя относится применение электроме- ханической обратной связи (ЭМОС), для реали- зации которой была разработана низкочастот- ная головка ЗОГД 6, снабженная пьезоэлек- трическим 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- ких частотах. К другим особенностям гром- коговорителя можно отнести наличие встроен- ного усилителя звуковых частот вместе с ис- точником питания. На выходе усилителя вклю- чен пассивный разделительный трехполос- ный фильтр с частотами разделения 500 и 5000 Гц, аналогичный всем акустическим системам, в состав которых входят головки 15ГД-ПА и ЮГД-35. В качестве примера звуковых колонок опишем звуковую колонку I5K3-I. предназ- наченную 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- ря возможности переключения можно исполь- зовать колонку на 5,10 и 15 Вт при линейном напряжении сети 30 или 120 В. Колонка ком- плектуется поворотным устройством, позво- ляющим изменять наклон ее рабочей оси. Благодаря большому стандартному зву- ковому давлению колонка может обеспечить довольно высокий уровень 111 дБ при мини- мальной мощности, что позволяет использо- вать ее для озвучения сравнительно больших площадей и на довольно большие расстоя- ния до 30. 40 м при умеренных уровнях окружающих шумов. Основные параметры Рис. 6.21. Электромегафон ПЭМ-5 Рис. 6 22 Высокочастотное звено профессио- нального 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 Тип комплектующих головок громкоговорителей Диапазон воспро- изводимых частот, Гц ле равномерней it> АЧХ. дБ Уровень характе- ристичес- кой чув- ствитель- ности , дБ/мД/Вт Номиналь- ное элек- трическое сопротив- ление. Ом Макси- мальная шумовая мощность, Вт Габаритные размеры (высота, ширина, глубина), см или объем, дм3 Вид акустического оформления Масса. кг 3AC-311 — 100 12 590 16 87 4 5 2,0 Открытое 4,0 3AC-312 — 100... 12 500 16 87 4 5 2,0 То же 4,0 6АС-221 — 63... 18 000 18 84 4 10 14,0 Фазоннвертор 5,0 6АС-322 — 63... 18 000 18 84 4 10 14,0 Закрытое 5,0 ЮАС-318 — 100... 12 500 16 86 4 10 12,0 То же 5,0 ЮАС-211 10ГДШ 1 63... 18 000 18 87 4 10 34,0 > 8,5 ЮАС-203 10ГДШ 1 63... 18 000 18 87 4 10 34,0 » 8,5 ЮАС-222 25ГДН 1, 6ГДВ-1 63... 18 000 16 84 4 30 37X21X18 Фазоннвертор 6,0 15АС-213 25ГДН-3, 6ГДВ-3 80 20 000 16 81 4 25 7,2 То же 5,5 I5AC-214 25ГДН-4, 8ГДВ-1 63 .20 000 16 85 4 25 31ХЮХ19 Закрытое 7,0 15АС-232 25ГДН-4, 8ГДВ-1 40..20 000 16 85 4 25 19 Фазоннвертор 7,0 ЮАС-109 25ГДН-3, 15ГДВ-1 40...20 000 16 84 4 25 36X22X19 То же 6.8 ЮАС-110 25ГДН-3, 15ГДВ-1 40...20 000 16 84 8 25 36X22X19 6,8 25АС-109 35ГДН-1, 20ГДС-4, 5ГДВ-1 40...20 000 16 84 4 50 48X29X27 Закрытое 13,0 25AC-I26 35ГДН-1, 15ГДВ-1 40...20 000 16 84 4 40 48X29X27 То же 13,0 25АСЭ-101 Электростатические 50... 20 000 12 96 на 10 В — 20 Вольт 92X62X36 Закрытое 25,0 25АС-131 50ГДН-3, ЮГИ-1 40...25 000 16 87 4 50 52X30X26 То же 15,0 25АС-128 50ГДН-3, 15ГДВ-1 40...20 000 16 84 4 50 28 Фазоннвертор 15,0 25АС-132 50ГДН 3, 20ГДС-4, 15ГДВ-1 40...25 000 — 84 4 50 29; 6,4; 2,2 Модульное 18,3 25АС 027 75ГДН-1, 20ГДС-4 6ГДВ-4 31.5...31 000 16 86 4 90 62X36X32 Фазоннвертор 25.0
Окончание табл. 6.9 Тип акустической системы Тип комплектующих головок громкоговорителей Диапазон воспро- изводимых частот, Гц неравномерннс id АЧХ,дБ 35АС-012 75ГДН-1, 20ГДС-4, 15ГДВ-1 31.5...25 ООО 16 35АС-013 30ГД-6, 20ГДС-4, 15ГДВ-1 31.5...25 ООО 16 35АС-016 75ГДН-1, 20ГДС-4, 15ГДВ-1 31,5...25 ООО 16 35АС-015 75ГДН-1, 20ГДС-4, 15ГДВ-1 31,5...25 000 16 35АС-018 75ГДН-1, 20ГДС-4, 15ГДВ-1 25...25 ООО 16 35АС-021 50ГДН-1, 20ГДС-2, 10ГДВ-1 25...25 000 16 35АС-008 75ГДН-1, 2ОГДС-4, 6ГДВ-4 25...25 ООО 16 35АС-ДС-017 75ГДН-1, СЧ и ВЧ — электростати ческие 25...25 000 16 35АС-О22 75ГДН-1, 2ОГДС-4, 15ГДВ-1 25...25 000 16 75АС-001 50ГДН-3, 2ОГДС-4, 6ГДВ-4 25...31 ООО 16 100АС-003 100ГДН-1, ЗОГД-8, 10ГД-43 20. ..30 000 12 100 АС-060 НЧ, СЧ и ВЧ головки с 25...25 000 12 100АС-063 металлическими диффу- 25...25 000 12 ААС-062 зорами 25...25 000 12
Уровень характе- ристичес- кой чув- ствитель- ности, ДБ/м j/вт Номиналь- ное электри- ческое сопротив- ление, Ом Макси- мальная шумовая мощность, Вт Габаритные размеры (высота, ширина, глубина), см или объем, дм1 Вид акустического оформления Масса* кг 86 4 90 71X36X29 То же 27,0 86 4 70 58X33X24 СЭМОС 32,0 86 4 90 71X27X37 Фазоинвертор 26,0 86 4 90 71X36X29 То же, с ПН 27,0 86 4 90 76 Фазоинвертор 27,0 86 4 70 57 То же 20,0 86 4 90 71X40X36 Закрытее 30,0 85 4 90 107X36X35 Фазоинвертор 30,0 86 4 90 83 Фазоинвертор 32,0 90 8 100 92 То же 32,0 85 4 150 123X48X40 Закрытое 60,0 90 8 100 91X47X45 Фазоинвертор 51,0 90 8 75 76X39X31 То же 30,0 90 47 кОм 76X39X31 » 39,0
колонки 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- ми 90° друг к другу. Под основным кожухом находится также круглый отражатель, наз- начение которого — сделать более равномер- ной характеристику направленности в вер- тикальной плоскости. Технические данные ра- диальных громкоговорителей приведены в табл. 6.8. Эксплуатация акустических излучающйх систем ие представляет каких-либо затруд- нений. Следует лишь следить, чтобы они ис- пользовались в тех климатических условиях, которые указаны в технической документа- ции 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- гать акустические системы от механических повреждений и не подводить к иим напряже- ние, большее того, на которые они рассчи- таны Специфическими повреждениями головок громкоговорителей и акустических систем яв- ляются повреждения диффузора или куполо- образной диафрагмы. Если они просто помя ты, то лучше всего восстановить их форму с помощью иголки для шитья. Если в диафрагме или диффузоре образо- валось отверстие, то на него нужно положить заплату; иа гофр — из тонкой (промокатель- ной) бумаги, наклеенной с помощью резиново- го клея, а на коническую часть диффузора или диафрагму — из бумаги типа кабельной, приклеенной клеем БФ-4 или А К-20. Если оборвались выводы от звуковой катушки, то припаивать их нужно осторожно, следя за тем, чтобы канифоль или припой не растека- лись по проводнику. В противном случае проводник потеряет гибкость и скоро слома- ется. При подведении слишком большого на- пряжения катушка может сгореть, или с кар- Рис. 6.25. Радиальный громкоговоритель каса могут сползти витки, что заклинивает ка- тушку в зазоре. Ремонт при этом получается сложный, поэтому головки дешевых типов лучше просто заменить. Дорогие головки громкоговорителей (низкочастотные) лучше ремонтировать в специализированных пред- приятиях. 6.5. КОНСТРУКЦИИ АКУСТИЧЕСКИХ ОФОРМЛЕНИЙ ПЛОСКИЙ ЭКРАН Наиболее простой вид оформления — плос- кий экран. Даже при сравнительно неболь- ших 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- ется выполнять в виде толстой доски или фане- ры 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 отиошеиие сторон прямо- угольника (ширина к высоте) 2 : 1...3 : 1. Что касается абсолютных размеров экрана, же- лательно, чтобы на нижней границе диапазо- на частот, который акустическая система долж- на воспроизводить (за которую целесообраз- но принять резонансную частоту головки громкоговорителя), эквивалентный диаметр экрана (диаметр круга, площадь которого равна площади экрана) D = 0,5 Xo/Q, где Ло — длина звуковой волны на нижней гра- ничной частоте диапазона; Q — добротность головки громкоговорителя на резонансной частоте (см. §.6.1). При таких размерах экрана частотная характеристика получается наиболее равномерной. Если экран не может быть таких размеров, то следует на нижней гра- ничной частоте диапазона ожидать спада А = = 20 lg (£>/Ох), где D — вычисленный по вы- шеприведенной формуле диаметр; Dx — фак- тический диаметр. Пример. Резонансная частота головки громкоговорителя 85 Гц. Ее добротность 2. Требуется определить спад иа резонансной частоте, если по конструктивным соображени- ям фактически эквивалентный диаметр ра- вен 0,5 м. Определяем желательный диаметр экрана D = 0,5 (343 : 85 2) = 1м. При диаметре 0,5 м спад на нижней граничной частоте N = = 20 lg (1 : 0,5) = 0,6 дБ. Размещать головку громокговорителя ре- комендуется в случае прямоугольного экра- на в его центре. Смещение от центра умень- шает развиваемое звуковое давление и ухуд- шает частотную характеристику. Для квад- ратных экранов некоторое смещение места установки головки несколько улучшает час- тотную характеристику, хотя одновременно и снижает звуковое давление. Следует еще остановиться на том, как «врезать» головку в 146
Таблица 6.10. Основные параметры отечественных звуковых колонок Тип Тип И ЧИСЛО комплектующих головок громкоговорителей Рабочий днапазои, Гц Неравномер- ность частотной характери- стики, дБ Среднее стандартное звуковое давление, Па Габаритные размеры, мм Материал оформления Масса, кг Номинальная мощность, Вт 2 КЗ-7 0.5ГД-31Х4 300...7000 15 0,45 684X120 X73 Металл 3,8 2 15КЗ-1 4ГД-8ЕХ4 200...5000 15 0,6 643X325X245 Металл 10 12,5; 6,25 15КЗ 2 4ГД-8ЕХ4 200...5000 15 06 730X274X118 Дерево 10 12,5, 6,25 15КЗ-4 4ГД-8ЕХ4 200..5000 15 0,6 725Х274ХЮ0 Дерево 10 12,5; 6,25 15КЗ-6 4ГД-43Х4 80... 12 500 15 0,3 301X651X179 Дерево 11 12,5; 6,25 15КЗ-8 ЗГД-42Х4 160...8 000 15 0,6 780X280X140. Дерево 8 12,5; 6,25 50КЗ-ЗМ 25ГД-18-22X2 25ГД 21X2 80... 10 000 15 0,9 1360X394X264 1480X394X299 Металл Металл 40 50; 25 100КЗ-7 25ГД-21Х2 25ГД-18-22Х2 100 10 000 15 0,7 1193X362X294 1623X352X320 Металл 45 100 100КЗ-11 25ГД-25Х4 100... 10 000 15 0,4 1433X320X270 Металл 25 100 25КЗ-5 10ГД-21Х» 10ГД-22Х2 80... 10 000 15 0,5 340X300X230 Металл 15 25; 12,5; 6,25 25КЗ-6 10ГД-21Х1 10ГД-22Х2 80...10 000 15 0,5 320X307X260 Дерево 15 25; 12,5; 6,25 8КЗ-4 4ГД-47Х2 150...8000 15 0,85 423X188X124 Дерево 7,5 2; 4; 8 2КЗ-6 1ГД-42Х2 300..7000 15 0,85 394X132X94 Дерево 3,7 2 2КЗ-7 0.5ГД-30Х4 300 7000 15 0,5 600X120X75 Металл 4,0 2 6КЗ-2 ЗГД-42Х2 160. .18000 15 0,4 520X230X140 Дерево 7,0 6,25 25КЗ-12 10ГД-36ХЗ 25ГД-21Х2 63... 16 000 18 0,3 730X280X240 Дерево 26 25; 12,5; 6,25 25КЗ-7 10ГД-35Х4 80... 14 000 18 0,5 974X340X280 Металл 45 25; 12,5; 6,25 100К313 25ГД-18-22Х4 80... 10 000 18 0.7 1280X340X280 Металл 60 100,0
экран. Здесь настоятельно рекомендуется выполнять это так, чтобы передняя плоскость диффузородержателя (обычно поверхность картонных секторов) была заподлицо с перед- ней плоскостью экрана. В противном случае перед головкой образуется цилиндрическое углубление (род короткой трубы). Столб воз- духа находящийся в нем, может резонировать на ряде частот и тем самым ухудшать частот- ную характеристику и качество звучания акус- тической системы. Наконец, следует учесть, что головка громкоговорителя в экране, по существу, является открытой и поэтому мо- жет легко покрываться пылью. Во избежание этого необходимо спереди закрывать головку какой-либо радиотканью, удерживаемой ме- таллической рамкой (круглой, эллиптичес- кой, прямоугольной), притягиваемой к экрану, шурупами. Следует при этом обратить серьез- ное внимание, чтобы ткань была натянутой и ни в коем случае не резонировала, что можно обнаружить на глаз или на ошупь, подавай на громкоговоритель напряжение низкой час- тоты от звукового генератора. Сзади, со сто- роны магнитных цепей, на головку громкого- ворителя рекомендуется надевать «юбочку», например из бязи. Встречаются описания акустических си- стем, 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- ческой системы будет иметь место не только в той комнате, в которой акустическая система предназначена работать, но и в той. куда выходит задняя сторона головки громко- говорителя, что, конечно, не всегда жела- тельно. Если же такое решение возможно, то оно дает заметное улучшение частотной ха- рактеристики и качество звучания, особенно на низких частотах. Разумеется, что и в этом случае в силе все вышеприведенные рекомен дации по врезанию головки громкоговори- теля теперь уже в стену. Дополнительно ме- шочек сзади головки следует сделать поболь- ше (например, в виде полусферы с диаметром, равным диаметру головки) и набить его хлоп- чатобумажной ватой, что предохранит от не- желательных резонансов. Естественно, что такую полусферу надо как-то замаскировать, чтобы она не портила вида той комнаты, в ко- торую она выходит. ОТКРЫТЫЙ КОРПУС Распространенный вид акустического оформления—открытый корпус Он представ ляет собой ящик, у которого задняя стенка или полностью отсутствует, или же имеет ряд сквозных отверстий (например, из пер- форированного картона, пластмассовая со щелями или отверстиями и т. д.). Головки уста навливаются обычно на передней стенке ящи ка Его внутренний объем, как правило, ис- пользуется для размещения деталей электри- ческой схемы, например приемника. Акусти- ческое действие открытого оформления подоб- но действию экрана. Наибольшее влияйиё на частотную характеристику акустической системы с открытым оформлением оказывают передняя стейка (иа которой смонтированы головки громкоговорителей) и ее размеры. Вопреки распространенному мнению, боко- вые стенки открытого оформления влияют на характеристику акустической системы мало. Таким образом важен ие внутренний объем оформления, а площадь передней стенки. Раз- меры ее (эквивалентный диаметр передней стенки) из-за влияния боковых можно делать на 25 . 40 % меньше размеров экрана. Ко- нечно, если оформление сделать очень глу- боким, то оно может начинать действовать как труба, резонирующая иа некоторых час- тотах, тем более низких, чем больше длина трубы. Естественно, это является нежелатель- ным, поскольку такие резонансы бывают из- за появления пиков и провалов на частотной характеристике акустической системы Кроме нежелательности большой глубины открытого оформления, оно должно удовлетворять еще некоторым требованиям. Прежде всего, сле- дует избегать каких-либо отверстий и щелей в акустическом оформлении (за исключением отверстий или щелей в задней стенке). Осо- бенно опасны они на передней стенке как при- чины акустического «короткого замыкания» и как причины, которые могут привести к рез- кому ухудшению воспроизведения низких час- тот, Поэтому, в частности, рекомендуется устанавливать головки громкоговорителей на передней стенке с уплотнением в виде коль- цевой прокладки из резины, пленки и т. п. между диффузородержателем и передней стен- кой. Уплотнением могут служить и картонные сектора, обычно располагающиеся на диффу- зородержателе. Но тогда надо уплотнить щели между ними. Головку надо притяги- вать к стенке винтами или шурупами, но не очень сильно, чтобы не покоробить диффузоро- держатель и тем самым не вызвать перекоса подвижной системь!, что может привести к нелинейным искажениям и явиться причиной дребезга. Задняя сторона головки громкого- ворителя не должна быть закрыта, как это часто делают, деталями схемы, не должна «за- дыхаться». Несоблюдение этого требования приводит к снижению звукового давления, развиваемого акустической системой. Можно рекомендовать, чтобы детали схемы не зани мали более 30 % внутреннего объема оформле- ния Размеры передней стенки, как уже гово- рилось при рассмотрении работы акустичес- кого экрана, желательно иметь как можно больше. Ограничением здесь являются только соображения удобства размещения и пользо- вания Что касается места установки головки на передней панели и соотношения ширины и высоты последней, то тут рекомендации такие же, как и в случае плоского экрана. Площадь перфорации или щелей в задней стенке долж- на составлять 10 ..20 % всей площади этой стенки Конфигурация оформления закрытоготипа оказывает большое влияние на форму частот- 143
100 200 6006001000 2000 Г,Гц 100 200 40060010002000 6,Гц 100 200 4006001000 2000 6,Гц нр,ДБ Нр,дБ Кр„4,е 100 200 1006001000 2000 Г,Гц 100 200 40060010002000 Г,Гц 100 200 40060010002000 6,Гц Рис. 6.26. Зависимость неравномерности частотных характеристик громкоговорителя от акустических оформлений различной формы ной характеристики на средних частотах, вы- зывая появление многочисленных пиков и провалов в случае неудачной формы. Это хорошо видно из рассмотрения частотных ха- рактеристик (рис. 6.26) для разных конфигу- раций оформления, сферического (шара), куба, усеченной пирамиды, параллелепипеда. Эти ха- рактеристики сняты при условии, что скорость колебаний подвижной системы головки не из- меняется при изменении частоты (что прак- тически, конечно, не соблюдается). Наиболее благоприятной формой является сфера. При- веденные характеристики следует иметь в ви- ду при выборе конфигурации оформления, хо- тя, исходя из конструктивных соображений, редко можно применить благоприятную форму из числа изображенных на рис. 6 26. Из эсте- тических соображений размеры оформления в виде параллелепипеда часто выбирают так, чтобы размеры лицевой стороны (высота: ширина) и глубина относились друг к дру- гу как I : 0,55 : 0,41. Материал оформления должен обеспечи- вать жесткость стенок, особенно передней. Наиболее подходящий материал — деревян- ные доски, ДСП или фанера, тем более толстая, чем больше размеры оформления. Так, на- пример, для оформления объемом 5...Ю л мож- но использовать доску или фанеру толщиной IO.. I2 мм Для оформления объемом 50...60 л следует делать стенки толщиной до 20 мм. Переднюю панель оформления, на которой крепятся головки громкоговорителей, во всех случаях желательно брать не тоньше I5... 20 мм. Кроме дерева и фанеры, широко при- меняют пластмассу. КОРПУС С ЛАБИРИНТОМ Для того чтобы избежать акустического «короткого замыкания», в свое время было предложено акустическое оформление с лаби- ринтом. Один из возможных вариантов его конструкции ясен из рис 6.27. Изображенная акустическая система состоит из корпуса, на передней панели которого укреплена головка. Задняя сторона диффузора работает на обра- зованный рядом перегородок зигзагообразный звукопровод — лабиринт. Второй конец ла- биринта заканчивается выходным отверстием на одной из стенок корпуса. Поперечное се- чение лабиринта — обычно прямоугольное или круглое. Площадь этого сечения делается при- мерно равной площади диффузора. Выпрям- ленная длина лабиринта должна быть равной примерно половине длины волны на низкой граничной частоте акустической системы, бла- годаря чему излучения из выходного отвер- стия лабиринта будут совпадать по фазе с из- лучением передней стороны диффузора. Так. если акустическая система должна воспро- изводить звук с 50 Гц (длина волны 6,8 м, по- ловина длины волны 3,4 м), то желательно, чтобы выпрямленная длина лабиринта равня- лась также 3,4 м. Конечно если лабиринт бу- дет иметь больше колен, то конструктивная глубина корпуса акустической системы будет соответственно меньше. Внутренние стенки лабиринта желательно покрывать звукопогло- щающим материалом, например слабо наби- тыми и простеганными ватными матами. Одна- ко конструкции акустических систем с лаби ринтом являются довольно громоздкими вслед- ствие чего редко применяются, несмотря на то, что от них можно получить неплохие резуль- таты Рис. 6.27. Устройство акустической системы с лабиринтом 149
Закрытый корпус Очень большое распространение в послед- ние годы приобрели закрытые системы Пре- имущество их в том, что задняя поверхность диффузора не излучает, и, таким образом, полностью отсутствует акустическое «ко- роткое замыкание». Но закрытые системы име- ют другой недостаток. Он заключается в том, что при колебаниях диффузора он должен превозмогать дополнительную упругость воз- духа в объеме ящика. Наличие этой дополни- тельной упругости приводит к тому, что повы- шается раезонансная частота подвижной сис- темы громкоговорителя, в результате чего ухудшается воспроизведение частот, лежащих ниже этой частоты. Чтобы резонансная часто- та все же не была чрезмерной высокой, при- меняют головки громкоговорителей с тяже- лой подвижной системой, что позволяет сни- зить резонанс, как это следует из формулы /o~“Z ~= V 1 4~ /о "j/l 4 Vn/V , 2л V cn где — резонансная частота системы; с0 — гибкость закрепления подвижной системы; с — гибкость воздуха в закрытом объеме оформления; mlt — масса подвижной системы; — эквивалентный объем; f„ — резонанс- ная частота головки; V—объем оформления. Однако следует иметь в виду, что увеличе- ние массы подвижной системы влечет за со- бой понижение чувствительности акустичес- кой системы в целом. Особенно небольшой яв- ляется чувствительность у так называемых малогабаритных акустических систем (МАС), упругость объема воздуха внутри оформления которых существенно больше, чем упругость закрепления подвижной системы. Стандарт- ное звуковое давление для них определяется формулой рст 2.65 10-3 где /о — резонансная частота подвижной системы го- ловки, установленной в закрытое оформле- ние объемом V; Q — добротность системы на этой частоте Не рекомендуется выбирать добротность выше 0,7. .1,0, так как подвиж- ная система получается «раздемпфированной». Это значит, что при ее возбуждении, т. е. при подаче на нее напряжения музыкальной или речевой программы, она помимо того, чтобы Рис 6.28 Зависимость неравномерности частот- ной характеристики акустической системы за- крытого типа от ее добротности колебаться в такт с этим напряжением, будет колебаться и с частотой собственных колеба- ний, близкой к резонансной частоте. Для слу- шателя это будет проявляться в том, что к зву чанию программы будет примешиваться зву- чание этой частоты как своего рода «гудение», «нечистота низов». Таким образом, будут иметь место своеобразные искажения, нося- щие название переходных. Эти искажения еще плохо слышны, пока добротность не превы- шает единицы. Необходимо отметить, что чем меньше доб- ротность, тем больше спад частотной характе- ристики на резонансной частоте. Так, при добротности 0,707 он составляет 3 дБ, а при добротности 0,5 он составляет уже 6 дБ (рис 6.28). Естественно, что такой спад ха- рактеристики во избежание ухудшения вос- произведения низких частот необходимо кор- ректировать в усилителе низкой частоты. При наличии же такой коррекции система с умень- шенной добротностью дает существенно луч- шее качество звучания Конструктивно закрытые системы надо выполнять так, чтобы отсутствовали какие- либо щели и отверстия, наличие которых сразу же может превратить закрытую систему в от- крытую. Что касается установки головок гром- коговорителей и выбора материалов и толщи- ны стенок, то тут должны соблюдаться те же требования, какие были перечислены в слу- чае открытых систем. Размеры оформления ре- комендуется брать возможно больше, однако нет смысла делать объем его (в м3) существенно больше величины, определяемой формулой рс2£2 23,2/§ т 6,5-103 S2 /о т где /о — резонансная частота подвижной сис- темы головки громкоговорителя без оформле- ния, т — масса подвижной системы в кг; S — площадь диффузора м2. Если объем оформления будет больше, то это скажется лишь незначительно на сниже- нии резонансной частоты акустической сис- темы в оформлении выбранного объема. Что касается минимально допустимого внутрен- него объема, то он выбирается исходя из того, чтобы добротность акустической систе- мы не превысила допустимой величины доб- ротности из-за повышения резонансной часто- ты Добротность акустической системы опре- деляется через добротность головки как Qt = Q Д/I + Vn/V. Отсюда минимально допус- тимый внутренний объем закрытого оформле- ния V = Vn/(Q2/Q2 — 1). Пример. Пусть надо найти минимальный объем закрытого оформления для головки громкоговорителя с резонансной частотой 40 Гц, добротностью 0,5 и эквивалентным объе мом 50 л при допустимой максимальной доб- ротности акустической системы 1,0: V — 50 |(1/0,5)2 — 1] = 50/3 « 17 л. При этом резонансная частота системы = '» Д/1 4-50/17 —80 Гц. Спад характеристики 150
(см. рис. 6.28) на этой частоте будет 2 дБ. Ес- тественно, может случиться, что при таком объеме оформления получающаяся резонанс- ная частота будет слишком высокой. Тогда нужно увеличивать объем до получения нуж- ного значения резонансной частоты. Для того чтобы уменьшить резонансные явления внутри оформления, можно рекомендовать обивку его звукопоглощающим материалом Наибо- лее доступным материалом является хлопча- тобумажная вата, которую следует равно- мерно распределить по внутреннему объему оформления из расчета примерно 15 г на 1 л внутреннего объема. Если материал (вата) располагается только на задней стенке ящика с внутренней стороны, то достаточно приме- нять 2...3 г его на 1 л внутреннего объема. Чтобы предохранить подвижную систему от попадания в нее волокон ваты, рекомендуется головку перед ее установкой заключить в че- хол, например из бязи. КОРПУС С ФАЗОИНВЕРТОРОМ Стремление получить достаточно хорошее воспроизведение низких частот при умеренном объеме акустического оформления довольно хорошо достигается в так называемых фазоин- версных системах (зарубежное название бас- рефлекс). Их конструкция достаточно проста. В корпусе закрытой системы делается щель или отверстие В последнее может быть встав лена трубка (рис. 6 29, а). На рис. 6.29, б приведена аналоговая электрическая схема фазоинвертора. На ней т„, сп, ги — масса, гибкость и активное сопротивление подвиж- ной системы головки громкоговорителя; с, — гибкость воздуха внутри корпуса системы; mt, г, — масса и активное сопротивление (в том числе сопротивление излучения) щели, отверстия или трубки фазоинвертора. Упругость объема воздуха в оформлении резонирует на какой-то частоте с массой возду ха в отверстии или трубке. Эта частота назы- вается резонансной частотой фазоинвертора. Таким образом, акустическая система в целом становится состоящей как бы из двух резо- нансных систем — подвижной системы гром- коговорителя и оформления с отверстием. При этом подвижная система громкоговори- теля ведет себя как электрический последо- вательный резонансный контур, а фазоин- вертора — как параллельный. При правильно выбранном соотношении резонансных частот этих систем воспроизведение низких частот значительно улучшается по сравнению с за- крытыми и открытыми акустическими систе- мами с таким же объемом оформления. Это объясняется тем, что на частотах выше резо- нансной частоты фазоинвертора скорость коле- баний частот в отверстии (или трубке) имеет более благоприятный сдвиг по фазе относитель- но скорости колебаний тыльной стороны диф- фузора головки громкоговорителя, чем в слу чае открытой системы, когда от передней и задней сторон ее приходят колебания, сдви- нутые по фазе на 180 относительно друг друга. Рис. 6.29. Акустическая система с фазоинвер- тором: а — устройство, б — исходная и примененная ана- лоювые электрические схемы Несмотря на очевидные преимущества акус- тических систем с фазоинвертором, очень часто такие системы, изготовленные даже опыт- ными людьми, не дают ожидаемых от них результатов. Причина этого в том, что для по- лучения необходимого эффекта фазоинвертор должен быть правильно рассчитан и настроен. Для правильного выбора соотношений па- раметров фазоинвертора можно пользоваться рис. 6.30 На нем нанесены кривые отноше- ния резонансной частоты фазоинвертора /в к резонансной частоте головки громкоговори- теля /о, кривая добротности головки громко- говорителя на резонансной частоте Q и кривая отношения частоты /3, на которой получается спад к низким частотам частотной характерис- тики 3 дБ, к резонансной частоте громкого- ворителя f0. Все эти величины даиы в зависи- мости от отношения Уо/У эквивалентного объема головки громкоговорителя к объему оформления. Пример. Пусть дан громкоговоритель с эк- вивалентным объемом 17 л, резонансной часто- той 40 Гц и добротностью 0 375 Восстанавли- ваем перпендикуляр из точки на оси ординат (слева) с отметкой 0,375; этой точке соответ- ствует абсцисса VjV — 1,4. Отсюда объем оформления V — Уо/1,4 = 17/1,4 = 12 л. По кривым /3//0 и fB/fn аналогично отсчитываем (по правой шкале ординат) f3/f„ = 1 и fB/fB = 151
= I Таким образом, спад частотной характе- ристики на 3 дБ будет на частоте /3 = fn, т. е на 40 Гц. Резонансная частота фазоинвер- тора будет также 40 Гц (в данном частном слу- чае). Сделаем фазоннвертор с трубкой. Мак- симальное значение диаметра трубки ограни- чивается тем, что определенная по формуле ее длина должна быть не больше 1/12 длины вол- ны на резонансной частоте. Кроме того, труб- ка своим другим концом не должна упирать- ся в стенку, противоположную той, в которой она укреплена. Этот конец должен отстоять от стенки не менее чем на 4 см. Трубка (если она применяется) конструктивно может быть вы- полнена п