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 проще всего из картона или прессшпа- на, навернутого иа клею на какой-то круглый стержень в несколько слоев. Можно сделать трубку и квадратной так, чтобы площадь квадрата равнялась площади круга выбран- ного диаметра. В этом случае ее можно собрать из толстой фанеры также на клею и врезать в оформление. Размеры трубки определяются по формуле (4/-, 3,4d)/d2=c2,4nV7=, где, помимо введенных выше обозначений, d — диаметр отверстия или трубки; / — дли- на трубки (или толщина стенки в случае от- верстия). При расчете по этой формуле нельзя забы- вать, что все величины следует подставлять в единицах одних и тех же систем. Например, все в линейных, квадратных, кубических метрах или сантиметрах, объем соответственно в ку бических метрах или кубических сантиметрах, скорость звука в метрах в секунду или санти- метрах в секунду Как видно из формулы, диаметр трубки (или отверстия) и ее длина мо- гут находиться в разных соотношениях, удов- летворяя при этом написанной формуле. Если делается не трубка, а отверстие, то рекоменду- ется делать его диаметр возможно больше и никак не меньше половины диаметра диффу- зора. Рис. 6.31. Зависимость процентного прираще- ния площади поперечного сечения рупора на 1 см его длины Вычислим размеры трубки Для нашего объема 12 л и резонансной частоты 40 Гц ( 41 + d)/d2 = 3432 (4л12 • 10~3-402) = 4,9 X X 102. Зададимся диаметром трубки 0,05 м (5 см). Тогда длина ее будет = (4,9 X X 102-25-10~4 — 3,4-5-10-2) = 0,262 м. Та- кая длина трубки существенно меньше 1Д2 длины волны на 40 Гц (8,6 м). РУПОРНЫЕ СИСТЕМЫ Применение рупора, нагружающего под- вижную систему головки громкоговорителя, очень сильно (в добрый десяток раз) улучша- ет коэффициент полезного действия последней и таким образом дает возможность получить достаточную величину звукового давления и, следовательно, громкость при сравнительно небольшой мощности усилителя. Формой ру- пора, обеспечивающей наилучшее воспроизве- дение низких частот, является так называе- мая экспоненциальная. При этой форме по- перечное сечение рупора увеличивается на одинаковое процентное значение через каждую единицу его осевой длины. Это процентное приращение определяет нижнюю граничную частоту рупора На рис. 6 31 представлена за- висимость процентного приращения попереч- ного сечения на 1 см осевой длины от нижней граничной частоты. Так, например, чтобы по- лучить нижнюю граничную частоту 60 Гц, площадь поперечного сечения рупора должна увеличиваться на 2 % через каждый сантиметр его осевой длины. Эту зависимость можно представить и в виде формулы frp = 6,25х >' 103 (0,01 йН1), где k — приращение площади поперечного сечения в процентах. Для про- центных приращений k, меньших 20 %, и, следовательно для граничных частот, мень- ших 500 Гц, формула может быть представлена в очень простом виде: frp — 27 k. Если рупор делается круглого или квадратного сечения, то сторона квадрата или диаметр круга долж- ны увеличиваться на каждый сантиметр дли- ны рупора на Д/'k процентов Если же он де- лается прямоугольного сечения с постоянной высотой, то ширина сечения должна увеличи- ваться на k % на каждый сантиметр длины рупора. Однако выдержать необходимое значение процентного увеличения сечения еще недоста- точно для хорошего воспроизведения низких частот. Нужно еще иметь достаточное выход- ное отверстие рупора —устья. Его диаметр (или диаметр равновеликого сечения устья круга) должен быть не менее Хгр/л. Отсюда для нижней граничной частоты 100 Гц, для которой длина волны составляет 3,4 м, диа- метр устья должен составлять около 110 см. Для более низких граничных частот размеры устья рупора будут еще больше. Кроме того, рупорный громкоговоритель, хорошо воспро- изводя низкие частоты (выше граничной час- тоты), плохо воспроизводит высшие, в связи с чем рупорный громкоговоритель для воспро- изведения низших частот приходится допол- нять специальным громкоговорителем для вос- произведения высших частот 152
Применение рупорных оформлений в по- мещениях ограничено хотя бы потому, что раз- местить их в обычном помещении затрудни- тельно. В случае же если такая возможность имеется, то расчет рупора следует начинать, задавшись размерами устья по выбранной ниж- ней граничной частоте, уменьшая сечение на к % на каждый сантиметр осевой длины до тех пор, пока ие приходят к сечеиию, равному пло- щади диффузора или диафрагмы Но при этом для того чтобы произвести сопряжение головки громкоговорителя с рупором, последний дол- жен иметь сечение той же формы, что и диффу- зор или диафрагма, т. е. круглое или эллипти- ческое. Если же по какой-либо причине сече- ние рупора делают другой формы, то его сече- ние в узкой части — горле — делают мень- шим поверхности диффузора или диафрагмы и сопрягают с последним с помощью камеры. Неоднократно предлагались конструкции, в которых стенками рупора являлись бы стены помещения. Такими конструкциями являются, например, громкоговорители, устанавливае- мые в угол комнаты так, что между стенками оформления и стенками помещения образует- ся звукопровод расширяющегося сечения, играющий роль рупора. Насколько спорным является применение рупорного оформления для воспроизведения низких частот, настолько же оправданным яв- ляется его использование в громкоговорите- лях, служащих для воспроизведения средних и высоких частот, что имеет место в многочислен- ных конструкциях некоторых зарубежных фирм. Особенно хорошие результаты дает при- менение рупоров с сильно демпфированными стенками. Демпфирование производится, на- пример, незасыхающим компаундом, заливае- мым между двойными стенками рупора, изго- товляемыми в этом случае из листового тонко- го материала. Вполне оправдано также при- менение рупорных громкоговорителей для озвучения открытых пространств. 6.6. ВКЛЮЧЕНИЕ ГОЛОВОК ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ В АКУСТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Задачей правильного включения головок громкоговорителей является обеспечение то- го, чтобы на каждую из них поступало напря- жение только тех частот, которые она должна воспроизводить. Достигается это путем включе- чения головок громкоговорителей через фильтры, которые носят название раздели- тельных Их рассчитывают на определен- ную частоту разделения, за пределами кото- рой фильтр обеспечивает выбранную вели- чину затухания, выражаемую в децибелах на октаву. Крутизна затухания резделительного фильтра зависит от схемы его построения. Простейший фильтр, так называемый фильтр первого порядка, состоит из одного реактив- ного элемента — емкости или индуктивности и обеспечивает затухание 6 дБ/окт Вдвое большее затухание (12 дБ/окт) обеспечивает разделительный фильтр второго порядка, со- держащий по два реактивных элемента в цепи Затухание 18 дБ/окт обеспечивает фильтр третьего порядка, содержащий по три реак- тивных элемента. Фильтры более высоких по- рядков для акустических систем, как прави- ло, не применяются, что можно объяснить возникающими трудностями реализации точ- ных значений элементов таких фильтров, с од- ной стороны, и отсутствием необходимости по- лучения более высоких значений крутизны затухания — с другой. Разделительные фильтры рассчитывают, исходя из вполне определенного значения на- грузки, которой в данном случае является входное электрическое сопротивление голов- ки громкоговорителя. Из рис. 6.1 видно, что модуль электрического сопротивления любой головки громкоговорителя зависит от частоты и потому разделительный фильтр, будучи на- груженным на головку, сможет обеспечить расчетное затухание, строго говоря, лишь в од- ной точке, соответствующей номинальному входному сопротивлению данной головки громкоговорителя, которое учитывалось при расчете фильтра (Дном на рис. 6.1). Для бо- лее высоких частот затухание будет умень- шаться по сравнению с расчетным вследствие увеличения модуля электрического сопротив- ления. Это обстоятельство особенно нежела- тельно при использовании фильтров первого и второго порядков из-за малой крутизны среза. С целью компенсации изменения модуля элект- рического сопротивления головки громкогово- рителя при включении ее через разделитель- ный фильтр применяют компенсирующие RC- цепи (см рис. 6 32, а), включаемые параллель- но головке. При этом R можно брать равным номинальному значению входного сопротив- ления соответствующей головки, а емкость включенного последовательно с резистором конденсатора рассчитывают по формуле 2л/1 ДНом где Дном — номинальное электрическое со- противление головки громкоговорителя, ft— частота, иа которой модуль электрического сопротивления увеличивается в 1,41 раз (3 дБ) по сравнению с номинальным. Частоту следует выбирать вправо от f„, (см. рис. 6.1). При под- становке в формулу значения частоты в гер- цах и сопротивления в омах, получаем зна- чение емкости в фарадах (10е мкф) В общем случае в акустических системах применяют головки громкоговорителей с раз- личными номинальными сопротивлениями и разной характеристической чувствительно- стью, а потому большинство акустических сис- тем помимо элементов фильтра и компенсиру- ющих RC-цепей содержат также и делители, призванные выравнивать уровень звукового давления среднечастотной и высокочастотной головок громкоговорителей по отношению к низкочастотной головке. Низкочастотная го- ловка определяет уровень характеристиче- 153
ской чувствительности акустической системы. Делитель для выравнивания чувствительности головок представляет собой два резистора, включаемых непосредственно перед соответст- вующей головкой громкоговорителя; после разделительного фильтра один резистор включен последовательно с головкой, а дру- гой — параллельно ей (см. рис. 6.32, о). В качестве резисторов обычно применяют прово- лочные сопротивления. Для их расчета до- статочно знать номинальное электрическое со- противление соответствующей головки гром- коговорителя и требуемое затухание делителя, которым является разность (в дБ) уровня ха- рактеристической чувствительности данной головки громкоговорителя по отношению к низкочастотной головке При этом следует учитывать, что уровень характеристической Рис. 6.32. Схемы разделительных фильтров (а) и коэффициенты расчета элементов для фильтров второго (б) и третьего (в) поряд- ков чувствительности низкочастотной головки, включеииой через разделительный фильтр нижиих частот всегда оказывается на 1 ... 2 дБ ниже по сравнению с указанным в паспорте иа головку громкоговорителя за счет потерь на активном сопротивлении обмоточного провода катушек индуктивности, включенных после- довательно с низкочастотной головкой. Эти потери необходимо сводить к минимуму, при- меняя для изготовления катушек индуктивно- сти, включаемых последовательно с головка- ми, обмоточный провод большого сечения и наматывая их на ферритовые сердечники. В качестве сердечников можно применять П-образные ферритовые сердечники от выход- ных трансформаторов строчной развертки те- левизионных приемников. Магнитопровод сер- дечников следует оставлять разомкнутым, т. е. для одной катушки надо использовать только одну П-образную часть трансформато- ра. Чувствительность всех остальных головок громкоговорителей, включенных через разде- лительный фильтр, в акустической системе практически не уменьшается, и ее можно при- нимать такой, как указано в паспортах на соот- ветствующие головки. Расчет сопротивлений резисторов делителя можно выполнять по фор- мулам: /?1==Рном(1 —Л) и Т?2 = 7?цом ^/( 1 где/?ном — номинальное электрическое сопро- тивление соответствующей головки громкого- ворителя, К — коэффициент, обратный вели- чине требуемого затухания делителя: К = = Мп, где п — затухание, выраженное в аб- солютных единицах. Приведем значение К. для наиболее часто встречающихся значений зату- хания: 1 дБ, К = 0,9; 2 дБ, К = 0,8; 3 дБ, К = 0,71; 4 дБ, К = 0,63; 5 дБ, К = 0,56, 6 дБ, К = 0,5; 7 дБ, К = 0,45; 8 дБ, К = = 0,4 и т. д. Важным параметром любой акустической системы является правильный выбор часто- ты разделения. Оиа зависит как от параметров применяемых головок громкоговорителей, так и от свойств слуха. Существует мнение, что головки громкоговорителей в акустической системе должны работать в пределах области поршневого действия диффузора. Однако при таком подходе акустическая система должна будет иметь много частот разделения (и со- ответственно головок громкоговорителей), что значительно повысит стоимость такой акусти- ческой системы. Обычно акустические системы имеют две, три и значительно реже четыре го- ловки громкоговорителей и соответствующее число полос, т. е. одну, две или три частоты разделения. Первую частоту разделения сле- дует выбирать в пределах 150 ... 1500 Гц. Низ- кую частоту выбирают обычно в акустических системах, имеющих отдельный (суммарный для обоих стереофонических каналов) низко- частотный блок, к которому подключаются от- дельные средне- высокочастотные излучатели левого и правого каналов. Такое конструктив- ное решение позволяет размещать громоздкий низкочастотный блок в любом месте поме- 154
Щеиия, а зона прослушивания обслуживает- ся сравнительно компактными средие-высоко- частотиыми боксами. Здесь выбор низкой час- тоты разделения (до 200 Гц) необходим для исключения локализации источника низких частот. В случае традициоииого построения акустической системы, когда все головки гром- коговорителей конструктивно объединены в каждой акустической системе, первую частоту разделения выбирают более высокой, чтобы максимально использовать энергетические воз- можности и излучательную способность низ- кочастотной головки. Однако нельзя при этом превращать низкочастотную головку в широ- кополосную, имеющую, как правило, высокий уровень иитермодуляциоиных и переходных искажений, к которым чувствительность слухового восприятия резко увеличивается в области средних частот. К средним частотам принято относить диапазон частот 500 ... ... 5000 Гц — это, конечно, достаточно, услов- ное деление. Во всяком случае, как было ука- зано, частоту разделения выше 1500 Гц выби- рать не следует ни в двухполосных, ни в трех- полосиых акустических системах. Одна из лучших по качеству звучания акустических систем английской фирмы «Тайной» (см. рис. 6.15, г) включает, помимо разделительно- го фильтра первого порядка, одну двухполос- ную головку громкоговорителя и имеет регу- лируемую частоту разделения в пределах 1000 ... 1300 Гц. Столь высокую частоту раз- деления можно применять лишь при наличии высококачественных низкочастотных головок громкоговорителей. Вторая частота разделе- ния должна быть выше диапазона средних час- тот, т. е. 5000 Гц и выше. Эту частоту, одиако, не следует выбирать более 6000 ... 8000 Гц, поскольку среднечастотиая головка иа этих частотах приобретает слишком узкую характе- ристику иаправлеииости. Рассмотрим вопрос выбора головок громко- говорителей для акустических систем. Внача- ле выбирают низкочастотную головку, так как такие ее параметры, как частота основного резонанса, эквивалентный объем, характери- стическая чувствительность, полная доброт- ность и максимальная шумовая мощность, определяют основные электрические и конст- руктивные параметры акустической системы. Затем выбирают средиечастотиую головку громкоговорителя, руководствуясь ее частот- ной характеристикой и энергетическими воз- можностями (может ли она без перегрузки ра- ботать с выбранной низкочастотной головкой). Диалогичным образом выбирают и высокочас- тотную головку. Желательно, чтобы головки громкоговори- телей имели минимальную неравномерность частотной характеристики по звуковому дав- лению в выбранном для каждой из них диапа- зоне рабочих частот. Помимо этого, частота ос- новного резонанса высокочастотной головки должна быть по крайней мере на октаву ниже ее низшей рабочей частоты, совпадающей со второй частотой разделения фильтра в трехпо- лосиой акустической системе. Частота основ- ного резонанса среднечастотной головки так- же должна быть на октаву ниже ее низшей ра- бочей частоты, совпадающей с первой часто- той разделения. Здесь необходимо учитывать следующую особенность. Среднечастотная го- ловка громкоговорителя в любой акустиче- ской системе работает в автономном акусти- ческом оформлении, как правило, закрытого типа (боксе), монтируемом внутри корпуса акустической системы. Этот бокс заполняется внутри звукопоглощающим материалом для исключения стоячих волн, способных сильно ухудшить частотную характеристику. Вы- бирать объем бокса для среднечастотной го- ловки громкоговорителя можно, руководст- вуясь формулами, приведенными для акусти- ческого оформления закрытого типа; с их по- мощью можно вычислить и частоту основного резонанса. Необходимо заметить, что при про- ектировании акустической системы надо учи- тывать объем воздуха, вытесняемого как сред- иечастотным боксом и деталями фильтра, так и низкочастотной головкой громкоговорителя и шахтой фазоинвертора. На эту величину следует увеличить расчетный объем акустиче- ской системы. Теперь об энергетических возможностях применения головок громкоговорителей в аку- стической системе. Поскольку разделительный фильтр разделяет входное напряжение веща- тельного сигнала, поступающего на вход аку- стической системы, между несколькими голов- ками, имеющими различные полосы рабочих частот, то совершенно очевидно, иа головки будет поступать разная электрическая мощ- ность. Вещательный сигнал (музыка, речь), изменяясь по случайному закону, имеет спе- цифический характер распределения мощно- сти по спектру частот. Причем характер зави- симости определяется в известной степени фор- мой музыкального произведения. По этим при- чинам методом статистических исследований была получена кривая распределения мощно- сти вещательного сигнала, которую реализует специально разработанный фильтр. Применительно к задаче определения мощ- ности вещательного сигнала, поступающего на головки громкоговорителей в акустической системе в зависимости от частоты разделения, удобно характеристику фильтра представить в виде таблицы, выразив уровень мощности в процентах. В табл. 6.11 приведено выраженное в процентах распределение мощности веща- тельного сигнала в зависимости от частоты разделения для двухполосного включения го- ловок в акустической системе. Пользоваться таблицей нужно следующим образом. Нахо- дим требуемую частоту разделения, например 500 Гц, и видим, что при этом на низкочастот- ную головку приходится 56 % мощности сиг- нала, а на средне-высокочастотную—44%. Если проектируется трехполосная акусти- ческая система и вторая частота разделения вы- брана равной 5000 Гц, то мощность, поступаю- щая на среднечастотную головку, должна быть уменьшена на 2,5 % — эта часть мощности будет,поступать на высокочастотную головку. J55
Таблица 6 1 Г. Отношение мощности вещательного сигнала в ЙЧ канале к общей мощности громкоговорителя в зависимости от частоты разделения (В соответствии с Публикацией МЭК № 268-1С) Частота разде- Мощность Частота раз* Мощность Частота раз- Мощность лення, Гц сигнала в ВЧ деления, Гц сигнала в ВЧ деления. Гц сигнала в ВЧ канале, % канале, % 20 100 250 61 2500 8,5 25 100 315 55 3150 5,7 31 99 400 50 4000 3,9 40 96 500 44 5009 2,5 50 94 630 39 6300 1,4 63 91 800 32 8000 0,71 80 88 1090 22 10 000 0,35 100 83 1250 21 12 500 0,13 125 78 1600 17 16 000 0,095 160 72 2000 12 29 000 0,000 200 67 Другими словами, максимальная шумовая мощность среднечастотиой головки должна составлять не менее 41,5 %, а мощность высо- кочастотной головки 2,5 % максимальной шумовой мощности низкочастотной головки громкоговорителя. Максимальная шумовая мощность всей акустической системы при вы- бранных частотах разделения будет равна 144 % максимальной шумовой мощности низкочастотной головки. Если у головок громкоговорителей в аку- стической системе одинаковые уровни харак- теристической чувствительности и одинаковые номинальные электрические сопротивления, то достаточно сравнить их максимальные шу- мовые мощности, указанные в паспортах, с требуемой, определенной по табл. 6.11; по- следняя должна быть равна или меньше пас- портной. Однако чаще всего у головок громко- говорителей в акустической системе не только разные характеристические чувствительности, но и различные номинальные электрические сопротивления. В таких случаях необходимо провести перерасчет их параметров к уровню характеристической чувствительности и номи- нальному электрическому сопротивлению низ- кочастотной головки, поскольку она никогда не включается через делитель. Проиллюстрируем перерасчет на примере. Предположим, что выбранная для акустиче- ской системы низкочастотная головка имеет максимальную шумовую мощность 50 Вт, но- минальное электрическое сопротивление 4 Ом и уровень характеристической чувствитель- ности 86дБ/м. При включении через раздели- тельный фильтр чувствительность головки понизится, как минимум, на 1 дБ и будет рав на 85 дБ/м. Предположим далее, что средне- частотная головка имеет максимальную шумо- вую мощность 5 Вт, уровень характеристиче- ской чувствительности 92 дБ/м и номинальное электрическое сопротивление 8 Ом. Разница в чувствительности составляет 7 дБ (2,24 раза) по звуковому давлению или (2,242 = 5 раз) по мощности Таким образом, максимальная шумовая мощность среднечастотиой головки, приведенная к чувствительности низкочастот- ной головки, составляет 5 Втх5 = 25 Вт. Из табл. 6.11 видно, что эту головку можно при- менять в качестве среднечастотиой при часто- те разделения, начиная от 400 Гц (50% мощ- ности, т. е. 25 Вт) и выше. Для расчета делите- ля, выравнивающего чувствительность средне- частотиой головки по отношению к низкочас- тотной необходимо учесть, что при подключе- нии этих головок к общему источнику, звуко- вое давление среднечастотиой головки необ- ходимо уменьшить на У8/4 — 1,41 раза, т.е. на 3 дБ, и принять его равным 92—3=89 дБ. Поэтому делитель должен вносить дополни- тельное затухание 89 дБ — 85 дБ = 4 дБ. В случае, когда номинальные электриче- ские сопротивления головок одинаковы, для расчета делителя следует брать паспортные значения уровней характеристической чувст- вительности головок, т. е. 92 дБ — 85 дБ — = 7 дБ — такое затухание должен вносить делитель. Если номинальное электрическое сопрогивлеиие окажется больше у низкочастот- ной головки, то для расчета затухания дели- теля поступают таким же образом. Примем для нашего примера электрическое сопротив- ление низкочастотной головки равным 16 Ом. В этом случае необходимо увеличить уровень чувствительности среднечастотной головки на УТб/в? т. е. на 3 дБ, и сделать его равным 92 дБ 4- 3 дБ ,= 95 дБ, а затем получить за- тухание делителя; 95 дБ —85 дБ = 10 дБ. Для высокочастотной головки громкоговори- теля расчет приведенной мощности и затуха- ния делителя выполняют аналогичным обра- зом. Перейдем к расчету элементов разделитель- ного фильтра. На рис. 6.31, а приведена схема разделительного фильтра первого порядка для двухполосной акустической системы. Элемен- ты такого разделительного фильтра рассчиты- ваются по следующим формулам: L — /?ном/ (2л/р); С = 1/(2л/р/?ном), где /р — частота разделения в герцах, RHOM номинальное элект- рическое сопротивление соответствующей го- 156
ловки громкоговорителя в омах. Значение ин- дуктивности получаем в генри (I03 мГн), а значение емкости — в фарадах (10е мкф). На рис. 6.31, бив приведены схемы разделитель- ных фильтров соответственно второго и треть- его порядков и возле элементов L и С указаны коэффициенты, на которые следует умножать индуктивности и емкости, вычисленные по приведенным формулам, для получения значе- ний их для реализации разделительных фильт- ров второго или третьего порядков. Следует указать на одну особенность пост- роения схем разделительных фильтров. Сов- сем необязательно, чтобы все головки в аку- стической системе имели разделительные филь- тры одного порядка. Например, высокочастот- ные головки обычно включают через фильтр третьего порядка, имеющий максимальное за- тухание, что обеспечивает требуемое ослаб- ление компонентов сигнала, совпадающих с частотой резонанса, и предохраняет головку от перегрузки. Кроме того, частотные характе- ристики по звуковому давлению головок громкоговорителей далеки по своему виду от прямой линии, и потому для получения жела- емой частоты разделения иногда приходится применять разделительные фильтры, рассчи- танные на более низкую частоту. Такую на- стройку акустических систем можно прово- дить только в специальных условиях — в за- глушенных звукомерных камерах с помощью специальной измерительной аппаратуры. Укажем на способ конструктивной реали- зации элементов фильтра. Для получения за- данной емкости подбирают набор неполярных (бумажных, тонкопленочных и др.) конденса- торов на рабочее напряжение не менее 55 В. Что касается индуктивности, то ее получают путем намотки обмоточного провода на катуш- ки. Привести рекомендации по расчету числа витков катушек, изготовленных с применением ферритовых сердечников, невозможно ввиду значительного разброса магнитных свойств феррита, а потому приведем рекомендации по изготовлению катушек без ферромагнитных сердечников. Оптимальная конструкция ка- тушки в смысле максимума отношения ее ин- дуктивности к активному сопротивлению полу- чается, когда внутренний диаметр цилиндриче- ской обмотки катушки вдвое больше ее высоты Л, а внешний диаметр в 4 раза больше высоты и и в 2 раза больше внутреннего диаметра. При этих условиях Л = ~[/lIR:0,866 мм. Здесь L — в микрогенри (10-3 миллигенри), a R— в омах. Длина провода / = 187.3^/Z.//i, число витков N = 19,88 L h, диаметр про- вода (без изоляции) d = 0,84 hl~[/N мм, мас- са провода т — й3-10~3/21,4 кг. Активное со- противление катушки следует выбирать не более 5 % номинального электрического со- противления головки громкоговорителя, по- следовательно с которой включена катушка. Полученные числа должны быть округлены, и в первую очередь диаметр обмоточного про- вода, до ближайшего стандартизированного. Индуктивность изготовленной катушки лучше все же проверить и подогнать с помо- щью измерительного моста. Окончательное мнение о качестве акусти- ческой системы могут дать только результаты субъективного прослушивания качества зву- чания. которые пока не могут быть заменены объективно измеренными параметрами. 6.7. РАЗМЕЩЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Жилая комната оказывает значительное влияние на качество звучания громкоговори- телей и акустических систем. При этом сов- сем небезразлично, в каком месте комнаты они расположены. Так, прн установке акустиче- ских систем в углу помещения происходит подъем низких частот, что не всегда жела- тельно, особенно в случае недостаточного демп- фирования низкочастотной головки громкого- ворителя. В то же время для малогабаритных акустических систем подъем низких частот обо- гащает звучание. Лучше располагать акусти- ческие системы вдоль большей стены помеще- ния, вдали от углов. Рекомендации по разме- щению акустических систем не всегда выпол- нимы в жилой комнате, поскольку могут ие согласовываться с расположением мебели, и потому в каждом конкретном случае следует пробовать приемлемые варианты, оценивая ка- чество звучания на слух по своему вкусу. Акустические условия в помещении оказыва- ют сильное воздействие на качество звучания. В предельном случае, когда в жилой комнате полностью отсутствует мебель, т. е. комната пуста, звучание любой акустической системы становится совершенно неприемлемым. Имеет значение и форма помещения. Наименее удач- ная для прослушивания форма помещения — кубическая. В помещении любой конфигура- ции точно так же, как и внутри акустического оформления громкоговорителя, иа низких ча- стотах возникают стоячие волны. В помеще- ниях кубической формы интенсивность стоячих волн максимальна, поскольку они образуются на совпадающих частотах вследствие равенства расстояния между противоположными стена- ми. Эффективных приемлемых методов борь- бы со стоячими волнами в жилых помещениях не существует, а потому лучше избегать раз- мещения акустических систем в помещениях, имеющих форму куба. Подробнее вопросы воз- буждения собственных мод помещения рас- смотрены в следующем разделе. К счастью, жилые помещения не бывают пустыми, в них всегда имеются мягкая мебель, книги, ковры, т. е. помещения имеют значительный фонд зву- копоглощения для средних и-высоких частот, что обеспечивает вполне приемлемые условия для прослушивания. Можно получить некото- рое увеличение звукопоглощающего фонда пу- тем закрепления имеющегося ковра ие вплот- ную к стене, как обычно, а иа некотором от нее расстоянии, хотя бы в пределах 30 ... ...50 мм. Если в помещении имеются книги, на- 157
холящиеся в шкафах или на застекленных книжных полках, то на время прослушивания полезно открывать дверцы шкафов и раздви- гать стекла полок Акустические системы должны быть уста- новлены таким образом, чтобы высокочастот- ные головки громкоговорителей располага- лись на уровне глаз сидящего слушателя (на высоте 1,25 м от пола). Для стереофонического звуковоспроизведения необходимо также обес- печить условия наилучшего восприятия сте- реофонического эффекта в удобном для слуша- телей месте помещения. С этой целью акустиче- ские системы надо устанавливать на расстоя- нии 1,5 ... 2,5 м друг от друга таким образом, чтобы их рабочие оси пересекались в центре зоны прослушивания, которая будет нахо- диться посредине между акустическими систе- мами на одинаковом расстоянии от каждой из них, равном расстоянию между ними, и даль- ше. Следует отметить важность правильной взаимной фазировки акустических систем при подключении их к усилителю звуковых частот. В домашних условиях фазировку подключения акустических систем можно проверить установ- кой их рядом друг с другом и подачей в элект- рический тракт монофонической музыкаль- ной программы, содержащей явно выражен- ные низкочастотные компоненты (барабан, контрабас). Если при изменении полярности подключения любой одной акустической сис- темы громкость звучания низких частот рез- ко уменьшится, то значит акустические сис- темы были сфазированы правильно и необходи- мо восстановить первоначальную полярность включения. Если же, наоборот, громкость звучания низких частот возрастет, то следует оставить эту полярность подключения как правильную Теперь о выборе акустических систем. Как уже выше отмечалось, основную красоту, пространственность, звонкость и чистоту зву- чания создают средние частоты звукового диа- пазона, для воспроизведения которых, в от- личие от низких частот, не требуется большой объем акустического оформления. Поэтому совсем необязательно для получения хороше- го звучания стремиться приобретать акусти- ческую систему большого объема (и высокой стоимости). Может случиться, что такая аку- стическая система, эффективно воспроизводя низкие частоты, средние частоты воспроизве- дет тускло и невыразительно. Спешить приоб- ретать такую акустическую систему не следует, ибо при длительном слушании ее звучание бу- дет быстро утомлять слушателя В общем слу- чае можно утверждать, что трехполосные аку- стические системы должны звучать лучше двухполосных, но не всегда разработчику удается подтвердить это правило. При выборе акустической системы основным критерием должен быть собственный вкус и опыт слуша- теля. Не следует переоценивать объективные характеристики акустических систем, содер- жащиеся в заводских описаниях. Качество звучания не всегда соответствует высоким объективным характеристикам, а потому аку- стические системы необходимо внимательно слушать, желательно в сравнении О методике проведения субъективной оцен- ки качества звучания изложено в § 11.3. Надо заметить, что качество звучания акустической системы определяется и качеством имеющегося в распоряжении слушателя электрического звуковоспроизводящего тракта. При покупке акустической системы необходимо иметь в ви- ду, что паспортная выходная мощность усили- теля звуковых частот не должна превышать максимальную шумовую мощность акустиче- ской системы при условии согласованной на- грузки. Если же усилитель рассчитан на под- ключение нагрузки 8 Ом, то к нему не следует подключать 4-омную акустическую систему во избежание выхода из строя усилителя. Ес- ли же усилитель рассчитан на подключение нагрузки 4 Ом, то к нему можно подключать 8-омную акустическую систему, правда, при этом будет вдвое понижена отдаваемая усили- телем в нагрузку мощность Нельзя не отме- тить и еще одну особенность эксплуатации аку- стических систем. В табл. 6.11 приведено со- отношение мощности НЧ и ВЧ сигналов в ка- налах при линейной частотной характеристи- ке электрического тракта, соответствующей сбалансированному уровню воспроизведения низкочастотных и высокочастотных компонен- тов первичного сигнала. При эксплуатации малогабаритных акустических систем некото- рый дефицит низких частот компенсируют ре- гулированием тембра низких частот. К такому регулированию приходится прибегать и при выборе места расположения акустических сис- тем в помещении. Следует только учитывать, что при подъеме низких или высоких частот с помощью регуляторов тембра увеличивается мощность сигнала, поступающего на соответст- вующую головку громкоговорителя. Подъем уровня на каждые 3 дБ соответствует удвое- нию подводимой мощности по сравнению с вы- численной по табл. 6.11. Как показывает опыт эксплуатации звуко- воспроизводящих устройств, при наличии вы- сококачественной аппаратуры и акустических систем во время прослушивания грампласти- нок или высококачественных фонограмм прак- тически никогда не возникает дефицита высо- ких частот и соответственно желания подни- мать их уровень регулятором тембра. Подав- ляющее большинство музыкальных программ звучат звонко и при линейной форме частот- ной характеристики электрического тракта в области высоких частот. 158
РАЗДЕЛ 7 ▲КУСТИКА СТУДИЙ И ДРУГИХ ПОМЕЩЕНИЙ 7.1. АКУСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОМЕЩЕНИИ В системах связи и вещания помещения делят на два типа: такие, из которых ведется передача речи и художественных программ (передающее помещение), и такие, в которых ведется прием этих передач (приемное помеще- ние). Из передающих помещений для веща- ния основным видом помещений являются сту- дии, хотя в общем случае ими могут быть лю- бые помещения, если, например, надо пере- давать актуальные программы. К приемным помещениям относятся все помещения, в ко- торых могут находиться слушатели, как то: жилые комнаты, аудитории, концертные за- лы и театры, кинотеатры, вокзалы, заводские цехи и т п В ряде случаев, например при зву- коусилении, приемное помещение совмещено с передающим. Для связи используют практи- чески любые помещения, в которых может находиться человек. Студия — это помещение, специально предназначенное для исполнения речевых и музыкальных программ. Радиовещательной или телевизионной называется студия, кото- рая используется для создания программ радио или телевидения На киностудиях эти помещения называются тонателье, в кииокомп- лексах телецентров — студиями озвучивания фильмов. Для получения требуемых акустических характеристик помещений проводят их спе- циальную акустическую обработку. Рассмотрим сначала звуковые процессы, происходящие в помещениях, и их влияние на звуковые особенности воспринимаемой слуша- телями программы. Для помещений простой формы (например, прямоугольной) применяет- ся волновая теория анализа характеристик. Но в инженерной практике пользуются более простыми, хотя и менее строгими, методами расчета, основанными на статистической тео- рии рассмотрения процессов отзвука. Согласно волновой теории собственные частоты [г помещения с длиной I, шириной Ь и высотой й определяются из выражения / = — 1г 2л где с — скорость звука в воздухе; k, т, п — целые числа от нуля до бесконечности. Каж- дому из соотношений чисел k, т, п соответст- вует одна из собственных частот помещения. В качестве примера на рис. 7.1, а представ- лен спектр собственных частот воздушного объема помещения с размерами / — 10 м, b = 6 м, h = 4 м. На рисунке показаны лишь частоты, лежащие в интервале 0 100 Гц. В области низких частот, соответствующих малым значениям чисел k, т, п, собственно частоты отделены друг от друга сравнитель- но большими интервалами. Спектр собствен- ных частот имеет здесь существенно дискрет- ную структуру. В области более высоких час- тот спектр заметно уплотняется, интервалы между смежными собственными частотами со- кращаются и число собственных колебаний в заданном участке спектра быстро увеличива- ется. В отдельных случаях различные формы собственных колебаний, т. е. формы, соответ- ствующие различным комбинациям чисел k, т, п, могут совпадать по частоте. Такие фор- мы отмечены на рис. 7.1, а удлиненными ли- ниями Стоящие над ними цифры указывают число форм с совпадающими частотами. При выключении источника звука процесс затухания колебаний в нем происходит на всех собственных частотах помещения, при- чем на каждой из них он имеет вид Рт=Ргте*Р [( — «г+jWr) d. где аг — показатель затухания, определяемый из условия отражения волн на границах по- мещения для r-й собственной частоты; рТт — начальная амплитуда колебаний, например, звукового давления, определяемая из условия распределения амплитуд колебаний в помеще- нии для r-й собственной частоты. Процесс затухания колебаний в помещении носит название реверберации. Кривая затуха- ния звука не имеет монотонной формы из-за биения между собственными частотами. На рис. 7.1, б изображена примерная временная структура реверберирующего сигнала в пред- положении экспоненциального затухания, ког- да уровень отраженных сигналов убывает с течением времени по линейному закону. В на- чальной стадии процесса отзвука структура отраженных сигналов (эхосигналов) сущест Рис. 7.1. Спектр собственных частот помеще- ния (а) и временная структура ревербериру- ющего сигнала в нем (б) 159
венно дискретна. По мере возрастания вре- мени запаздывания эхосигиалы сближаются и затем образуют настолько плотную последо- вательность, что их можно считать сливаю- щимися друг с другом. В случае использования статистической теории реверберации пользуются следующими понятиями и величинами: диффузное поле, средняя длина свободного пробега L, среднее время свободного пробега tcp, средний коэффи- циент поглощения аср, время реверберации Т, время запаздывания первых (ранних) отраже- ний ta, четкость и прозрачность, акустиче- ское отношение R, радиус гулкости ггул. Диффузное поле — это поле, в котором энергия отраженных звуковых волн преобла- дает над энергией прямого звука. Отраженные звуковые волны движутся в помещении в раз- личных направлениях Если отзвук затухает ие слишком быстро, то в любой точке помеще- ния число налагающихся друг на друга волн с различными направлениями волнового век- тора может быть достаточно большим для того, чтобы средине значения потока звуковой энер- гии по различным направлениям мало отлича- лись друг от друга. Это свойство поля — ра- венство средних потоков энергии по различным направлениям — называется изотропией. Изотропия поля способствует равномер- ному распределению звуковой энергии по объ- ему помещения, т. е равенству средних зна- чений плотности энергии в различных точках помещения. Это свойство иосит название одно- родности поля. Таким образом, диффузное поле — это однородное и изотропное поле волн, движущихся в результате многократных отражений по всем направлениям. Средняя длина свободного пробега опре- деляется как среднеарифметическое значе- ние длин отрезков между отражающими по- верхностями, которые проходят звуковые вол- ны: Lfp = (/i /2 h)/>- Экспериментально установили, что для по- мещений прямоугольной формы средняя дли- на свободного пробега может быть определена исходя из его геометрических размеров сле- дующим образом: £ср = 41//5, где S — площадь помещения, V — его объ- ем. Среднее время свободного пробега определя- ется как отношение средней длины свободного пробега к скорости звука /ср= Lcp/c~4V/cS. Средний коэффициент поглощения. При каждом отражении сигнала от поверхности происходит поглощение некоторой части энер- гии сигнала Е. В зависимости от свойств от- дельных участков отражающих поверхно- стей относительная убыль энергии ЕЕ/Е при каждом отдельном отражении будет различной. При достаточно большом числе отражений можно говорить о среднем значении коэффици- ента поглощения I у, ЕЕ Юср~ i Е ' Если помещение состоит из i участков пло- щадью Sj с различными коэффициентами поглощения а,, то средний коэффициент по- глощения а.гр = а, S,/S-'r а2 S2/S4-... -(-а/ S./S = = £а,- Si'S = A/S. Величина А = 2а;5;, имеющая размер- ность площади, называется общим поглоще- нием помещения. Реверберация. Представление о диффуз- ном звуковом поле в помещениях и связанное с ним представление о возможности использо- вания статистических величин /ср и аср дают возможность построить простую теорию неста- ционарных акустических процессов в помеще- ниях — быстрого нарастания звуковой энер- гии после включения источника звука н постепенного ее снижения после выключе- ния источника Последний процесс (умень- шение энергии за счет ее поглощения) и пред- ставляет собой явление реверберации. Можно получить, что в процессе нараста- ния плотность звуковой энергии в помещении увеличивается по закону: F ЛР t I гЧ е (Et) — — =-----11 —exp -----t In X ' E cA I L 41/ X(l— aCp)j|. Пусть в помещении достигнуто стационар- ное значение плотности энергии е, после чего источник звука выключается в момент t=0. Считая, что акты поглощения энергии проис- ходят через равные промежутки времени Et, причем после каждого акта поглощения в по- мещении остается доля 1—а начальной энер- гии, получаем последовательность убываю- щих во времени значений энергии: е (О) = ео; в(Д/) = е0(1 — аср); е(2Д/) = е„ (I — аср)а; . .е(пД/) = е0(1—асР)" После преобразования можно получить следующее выражение для определения умень- шения плотности энергии: Г 1 е(Д/) =«оехр —— I 1п(1—аСр) • L 1 На рис. 7 2 представлены кривые, отобра- жающие ход изменения во времени плотности звуковой энергии е и ее уровня 1g е в процес- сах нарастания звука и его уменьшения. Из них видно, что процесс реверберации (сниже- ния уровня сигнала) играет при восприятии сигнала в помещении значительно большую 160
Рис. 7.2. Кривые процесса нарастания и снижения звуковых сигналов в линейном (и) и логарифмическом (6) масштабах роль, чем процесс нарастания звука, так как он более растянут во времени. Кривые на рис. 7.2 — идеализированные. В реальных условиях они получаются не та- кими плавными и монотонными, а несколько нестационарными. Время реверберации (или стандартное время реверберации) — это такой интервал времени, в течение которого уровень звукового давления уменьшается на 60 дБ. Это соответствует уменьшению звукового дав- ления в I03 раз, а плотности звуковой энер- гии в 10е раз. Время реверберации можно определить из последней приведенной формулы, подставив в нее е (At) — 10~в и заменив t на Т\ в (7) Г cS I -----=10~e= exp —— 7' In (1 — aGP) . «о I. 4V J Отсюда находим 6 In 10-4V T- --------------. cS In (1—acp) Сделав некоторые преобразования, полу- чим самую распространенную формулу для определения времени реверберации, называе- мую формулой Эйринга: 0,161V 0,161V Т —----— ----------- или Т —-----——, — S In (I — аер) а S где V — объем помещения; S — площадь внутренних ограничивающих поверхностей помещений; а' - —In (I —аСр) — ревербе- рационный коэффициент поглощения. Переход от среднего коэффициента погло- щения аср к реверберационному коэффици- енту поглощения а и обратно можно осуще- ствлять по таблицам или по рис. 7.3, а. Как видно из рисунка, при небольших зна- чениях среднего коэффициента поглоще- ния (ссСр < 0.2) оказывается, что аср « а'. При этом знаменатель формулы упрощается: a'S = acpS = А, формула для определения времени реверберации также упрощается и под названием «формула Сэбина» принимает вид Т — 0,161 Vi А. На высоких частотах (обычно свыше 2 кГц) нужно считаться с тем, что звуковая энергия поглощается не только при отраже- ниях, но и на пути свободного пробега вслед- ствие вязкости и теплопроводности воздуха. С учетом этого фактора формула Эйринга при- нимает вид _______0,161V_________ —S In (1 —acp)4-4pV где р — показатель затухания, равный обрат- ной величине того пути, на котором плотность энергии уменьшается в е раз. Величина р за- висит от влажности и от частоты. Зависимо- сти р от относительной влажности на различ- ных частотах при комнатной температуре при- ведены на рис. 7.3, б. Рис. 7.3. Кривые коэффициента поглощения 6 Зак. 16ЯК 161
Эквивалентное время реверберации. Кроме стандартного времени реверберации, введено понятие эквивалентного времени ревербера- ции, под которым подразумевают ощущаемое на слух время реверберации Оно зависит от акустического отношения R. На рис. 7.4, а приведен график, иллюстрирующий эквива- лентную реверберацию. Приближенно время эквивалентной реверберации можно найти по формуле I । I . 1 + /? ------- - Т’экв-Т 1,2 R Результирующее время реверберации от- носится к понятию связанных помещений. Связанными помещениями называют помеще- ния, в одном из которых находится первичный источник звука (это помещение называют пер вичным), в другом — слушатели (это помеще- ние называют вторичным) — рис. 7.4, б. Свя- занные помещения могут иметь обратную связь, когда звуковые колебания из вторич- ного помещения могут переходить в первич ное (обычно по акустическому каналу, напри- мер, через отверстия в смежной стене), и без обратной связи, когда звуковые колебания передаются только в одном направлении из первичного помещения во вторичное, напри- мер, по электрическому каналу. О * б) Рис. 7 4. Кривые эквивалентной и результи- рующей реверберации На рис. 7.4, в приведены идеализированные кривые затухания уровня звукового давления в первичном (1) и во вторичном (2) помещени- ях при условии их независимости и резуль- тирующая кривая (<?) затухания уровня во вто- ричном помещении при передаче в него сигна- лов из первичного помещения Кривая 3 ре- зультирующего сигнала затухания связанных помещений всегда выше 1 или 2, так как ре- зультирующее затухание происходит медлен- нее. Результирующее время стандартной ревер- берации во вторичном помещении приближен- но определяется по формуле Ррез — + -f-7'23, а эквивалентное время (график 4 на Рис. 7.4, в) — по формуле = Т^2 4- + 7’25/2. где 7'1 и Т2 — стандартное время ре- верберации в первичном и вторичном помеще- ниях. При наличии акустической обратной связи расчет времени реверберации может быть выполнен, как и для обычных связанных систем с обратной связью. Акустическое отношение и радиус гулкости также являются важнейшими характеристи- ками помещения Акустическое отношение — отношение плотности энергии отраженных звуковых волн (диффузной составляющей звукового поля) к плотности энергии прямого звука, или, что то же самое, отношение квадратов звуковых дав- лений диффузного поля и поля прямого звука К = 8д/епр-Рд/Рпр- Акустическое отношение в децибелах &LR = 10 lg R=La—Lap, где La = 20 lgp„4- + 94 и L1IP = 20 lg рПр + 94 — соответст- венно уровни поля отраженных звуков и пря- мого звука. Акустическое отношение определяют для характерных точек помещения, в которых на- ходятся слушатели (наиболее удаленных от источников звука, наиболее близких к ним, для точек с минимальным уровнем прямого звука и максимальным уровнем диффузного поля). Акустическое отношение для одиночно- го источника звука в заданной точке помеще- ния для сферической волны р =, 6 <8(1-«ср) = аср SS2r № (0) г2(1—аср) = 50 3----------~— ’ асР SS2r № (0) ’ где г — расстояние рассматриваемой точки от центра источника звука; аср — средний коэф- фициент поглощения; S — общая площадь ограничивающих поверхностей помещения, м2, Q,. — коэффициент осевой концентрации ис- точника звука; К (0) — коэффициент его на- правленности под углом 0 к акустической, оси по отношению к направленности в рассматри- ваемую точку. Значения акустического отношения и уров- ня прямого звука для ряда конкретных случа- 162
ев расположения громкоговорителей и их рас- чет см. в разд 8. чХ Оптимальное значение акустического от- ношения для передачи речи находятся в преде- лах'0,5 ... 4, а для музыкальных передач 2...8. Если акустическое отношение ниже этого пре- дела, то передача звучит отрывисто, сухо. Если оно больше верхнего предела, то речь стано- вится плохо разборчивой, а музыкальная пе- редача — «загрязненной». Радиусом гулкости называют расстояние от центра источника звука, для которого акусти- ческое отношение равно единице, т. е. в этих точках уровни прямого и диффузного звуков равны друг другу. Для одиночного источника звука радиус гулкости аср SQr № (0) 50,3(1—аср) ’ Кроме акустического отношения, введено понятие четкости реверберации, под которой подразумевают отношение суммы плотностей энергии (или квадрата звукового давления) прямого звука и отраженных звуковых волн, приходящих к слушателю через время менее 60 мс по сравнению с приходом прямого звука, к общей плотности энергии (или квадрату зву- кового давления): DR = (епр~; еотр за (<'вомс) е,п. Это отношение ближе к субъективному ощущению, чем акустическое отношение. Время запаздывания первых (ранних) от- ражений и их структура, наряду с временем реверберации, имеет первостепенное значение для оценки зала. Отсутствие первых отраже- ний в партере театра является одним из час- тых и типичных недостатков зала. Л. Беранек разработал методику оценки акустики зала, по которой отмечает, что этот фактор в 3 раза весомее для акустики по сравнению с осталь- ными. Время запаздывания первого отражения обусловливает впечатление «присутствия», «близости», «камерности» слушателя. Впечатление слушателя о размерах зала определяется именно временем запаздывания первого отражения относительно прямого зву- ка. Зал обладает акустической близостью, если исполняемая в нем музыка звучит так же, как и при исполнении в малом зале — «камерно». Время запаздывания первых отражений в та- ких залах не превышает 20 мс. Субъективная оценка акустика зала — это вопрос весьма проблематичный. Трудности оценки определяются, во-первых, отсутствием необходимых понятий, которые могут характе- ризовать все свойства звучания и описания этих свойств; во-вторых, отсутствием до на- стоящего времени четких физических объек- тивных критериев, с которыми можно было бы сопоставить данные субъективной оценки. Су- ществует обширный словарь, которым пользу- ются музыканты для описания своего впечат- ления при слушании музыки. Этот словарь существенно отличается от того, которым пользуются акустики и вряд ли может быть связан с определенными физическими свойст- вами зала. Такие слова, как ««воздушно», б* «превосходно», «восхитительно» невозможно перевести на язык конкретных понятий акус- тики. Более того, даже такой известный и наиболее простой физический критерий, как реверберация, далеко не всегда увязывается в представлении музыкантов с определенны- ми акустическими свойствами. Изучением субъективных характеристик зала много занимался Л. Баранек. Он разли- чает 18 субъективных оценок музыкально- акустического качества. Важнейшие из них следующие: Полнота тона (звучность). В студии или концертном зале звук продолжает существо- вать в течение примерно двух секунд после то- го, как звук самого инструмента уже прекра- тился. Полнота тона зависит от совместного действия собственно времени реверберации и отношения громкости реверберирующего н прямого звука. Чем больше отношение громкости ревербе- рирующего звука к прямому, тем больше пол- нота тона. Для каждого жанра музыки харак- терно определенное соотношение. Так, ста- ринные псалмы и органная музыка написаны для церквей — помещений с большей ревер- берацией и большим соотношением ревербери- рующего и прямого звука. В помещении с ма- лой реверберацией таким произведениям не хватает полноты тона и они теряют свое обая- ние. Громкость прямого звука определяется не только им самим, но и первыми отражения- ми, которые создаются ближайшими к инстру- менту поверхностями. Отношение громкости прямого и реверберирующего звуков опреде- ляется таким образом временем реверберации н формой околосцеиического пространства (портальная часть зала). Отчетливость звучания определяется как музыкальными факторами, так и акустикой помещения. Различают два вида четкости му- зыкального звучания — горизонтальную, т. е. отчетливость звучания последовательных то- нов в мелодии, и вертикальную — отчетли- вость одновременно звучащих тонов в гармо- нии. Акустические факторы, влияющие на гори- зонтальную четкость времени реверберации, и отношение громкости прямого и ревербериру- ющего звука определяют полноту тона, но в об- ратном отношении. Из музыкальных факто- ров на горизонтальную четкость влияют темп исполнения и мастерство исполнителя. Вер- тикальная четкость определяется особенностя- ми музыки, подбором одновременно звучащих тонов, исполнением, способностями слушате- ля. Акустические факторы, влияющие на вер- тикальную четкость, включают в себя баланс между различными инструментами, степень смешиваемости звуков различных инструмен- тов, реверберацию, отношение громкости пря- мого и реверберирующего звуков. Интимность (буквальный перевод с нем и англ.), — присутствие, камерность, бли- зость— помогает слушателю составить пред- ставление о размерах помещения, в котором исполняется произведение. Музыка звучит 163
Рис. 7.5. Спектральные уровни шумов в поме- щениях так, как если бы она исполнялась в помеще- нии малого размера. Интимность определяет- ся временем запаздывания первого отраже- ния В залах, имеющих интимную акустику, ог- раждающие поверхности устроены таким об- разом, что отражение от них приходит с за- паздыванием в пределах 20 мс. Камерная музы- ка предназначается для исполнения в помеще- ниях сравнительно малого размера с большой отчетливостью и относительно малой полно- той звучания Теплота (полнота басового тона} опреде- ляется как звучность басов по сравнению с звучностью средних тонов. Теплота обеспечи- вается в случае, когда время реверберации для низких частот равно нли несколько больше ре- верберации на средних частотах Громкость прямого звука уменьшается с удалением оз сцены. Наиболее благоприятным расстоянием при прослушивании прямого зву- ka ог оркестра является расстояние' 18 м для отдельных инструментов и 6 ... 15 м для юл истов. Баланс обеспечивается совместным дейст- вием многих факторов музыкального и аку- стического характера. Баланс должен иметь место как между разными группами инстру- ментов оркестра, так и между оркестром, с од- ной стороны, и солирующим инструментом, с другой стороны. Баланс зависит от особен- ностей околосценического пространства, раз- мещения оркестрантов и способностей дири- жера п исполнителей. Ансамбль. Ритмическая точность испол- нения отдельных партий определяется тем, насколько хорошо музыканты слышат друг друга. Таким образом, чувство ансамбля зави- сит с акустической стороны от конструкции сцены или отражающих поверхностей вблизи оркестра. Помимо этих качеств, характеризующих акустику зала, следует упомянуть такие, как яркость (наличие высоких частот), быстрота отзвука помещения, диффузность. Вне всякого сомнения, что в зале не должно образовывать- ся эха и прослушиваться шум Акустические шумы являются одной нз ха- рактеристик помещения. Этн шумы складыва- ются из шумов от источников шума, находя- щихся в данном помещении, и из шумов, про- никающих из других помещений и с улицы. Шумы первого типа создаются людьми и ап- паратурой, находящимися в данном помеще нии. На рис. 7.5 приведены спектральные уровни шумов, создаваемых людьми — так на- зываемый речевой шум (кривая 1 соответствует речевому шуму в большом помещении, кри- вые 2 — в жилой комнате), а также нормы на шумы для предприятий связи: ,3 —для цеха сортировки посылок; 4 — для стативного зала \ТС, 5 — для цеха обработки периодической печати, 6 — для операционного зала. В табл. 7.1 приведены уровни звукового давления в октавных полосах, создаваемых в Таблица 7.1. Уровни шумов в производственных помещениях Помещение Уровень звукового давления в октавной полосе, дБ, для средней частоты полосы. Гц 63 125 250 500 1000 2000 >000 8000 Операционный зал 70 70 63 58 55 52 50 49 Коммутационный зап 59 53 63 66 63 58 54 42 Залы с аппаратурой уплотнения 72 72 68 65 63 62 60 50 Опорная усилительная станция 66 69 66 66 64 57 55 45 Цех обработки периодической печати 87 78 73 68 65 62 60 59 Статнвпый зал МТС 62 61 65 67 67 64 62 62 Аппаратный зал радиостанции 76 73 73 71 68 64 65 50 Радиобюро 67 68 69 67 69 69 69 64 Статннный зал АТС 63 63 67 71 70 69 68 62 Аппаратный цех телеграфа 71 71 72 72 71 70 69 64 Перфораторная МТС 70 68 73 79 75 71 69 67 Цех сортировки писем и цех сортировки посылок 94 87 82 78 75 73 71 70 164
*1 а б л и ц a 7.2. Расчетные уровни шумов в цехе сортировки Средняя частота, Гц 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 ПС-65, дБ 87 78 73 68 65 62 60 59 Фактические расчетные уровни шума, дБ 84 77 72 68 65 63 61 60 производственных помещениях связи. Неко- торые из этих данных пересчитаны в спект- ральные уровни и также приведены на рис. 7.5 (кривые 3—6). Если эти шумы превышают допустимые са- нитарные нормы, то стремятся снизить их. Одним из методов снижения уровня шумов является увеличение общего поглощения в по- мещении путем покрытия стен, потолка и пола материалами, эффективно поглощающими звук. Пример. В цехе сортировки писем и посы- лок (уровни шумов см в табл 7 I) необходи- мо снизить шумы. Посмотрим, насколько мож- но снизить их путем обработки поверхностей помещения. До обработки средний коэффици- ент поглощения на всех частотах составлял 0,03 (типовая облицовка поверхностей помеще- ний). Применяя специальные материалы, мож- но повысить средний коэффициент поглощения на всех частотах до 0,3. Уровень звукового давления в установив- шемся режиме Lm= 10 lg (Pa/aCpS) + 126,1 = = 10 lg (Pa/S) + 126,1 — 10 lg acp. До об- работки он был Lml = 10 lg (Pa/S) + 126,1— — 10 lg 0,03, после обработки Lm2 = = 10 lg (Pa/S) +126,1 — 10 lg 0,3. Вычитая из первого второе, получаем А£ = 10 1g (аСр2/ /аср1) = '0 1g (0,3/0,03) = 10 дБ. Таким об- разом, уровень шумов снизится на 10 дБ. Следовательно, уровни шумов будут около предельного спектра ПС-65, а именно будут иметь значения, приведенные в табл. 7.2. Сравнение фактических уровнен и уровней предельного спектра показывает, что на часто- те 63 Гц уровень получился на ЗдБ ниже пре- дельного, на частотах 500 ... 1000 Гц — рав- ный предельному и на частоте 8000 Гц — на 1 дБ выше его. Поэтому вполне можно взять такой поглощающий материал, который будет иметь на частоте 63 Гц коэффициент поглоще- ния в 2 раза меньше (т. е. около 0,15), а на ча- стотах выше 1000 Гц — в 1,25 раза больше (т. е. около 0,36). В этом случае фактические уровни совпадут с нормируемыми уровнями по кривой ПС-65. 7.2. КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИОВЕЩАТЕЛЬНЫХ И ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СТУДИЙ В настоящее время действует классифика- ция радиодомов, телецентров и входящих в их состав студий, предусмотренная «Ведомствен- ными нормами технологического проектирова- ния объектов телевидения, радиовещания и телекинопроизводства» Эти Ведомственные нормы разработаны Государственным союз ным проектным институтом Минсвязи СССР и Государственным проектным институтом «Гипрокино» Госкино СССР при участии ГПТУ и ВНИИТР Гостелерадио СССР, утверждены Гостелерадио СССР и введены в действие 15 октября 1981 г. Ведомственные нормы распространяются на проектирование строительства новых, ре- конструкцию, расширение и техническое перевооружение действующих объектов теле видения, радиовещания н телекинопроизвод- ства. Телевизионный центр (телецентр)— комп- лекс специальных сооружений и оборудова ния, размещенный в одном или нескольких зданиях и предназначенный для подготовки, записи, формирования и передачи телевизион- ных программ на радиотелевизионную пере- дающую станцию, а также для обмена программами с другими телецентрами. В зависимости от объемов вещания и струк- туры программ телецентры подразделяются на четыре класса внеклассные (телецентры Москвы и Ленин- града); первого класса (республиканские) с аппа- ратно-студийным комплексом (АСК), обеспе- чивающим объем местного вещания до 13 ч в сутки, в том числе собственного до 7 ч в сутки; второго класса (в крупнейших промышлен- но-культурных центрах) с АСК, обеспечива- ющим объем местного вещания до 3 ч в сутки, в том числе собственного до 2 ч в сутки; третьего класса (в прочих административ- ных центрах) с АСК, обеспечивающим объем местного вещания до 2 ч в сутки, в том числе собственного до 1 ч в сутки. Радиодом — это комплекс сооружений и оборудования, предназначенный для подготов- ки, записи, формирования и передачи радио- вещательных программ потребителям (через передатчики, городскую сеть проводного ве- щания и междугородные каналы), а также для обмена программами с другими радиодомами. В зависимости от объемов собственного веща- ния радиодома подразделяются на три клас- са' внеклассные с АСК, обеспечивающим объ- ем собственного вещания более 4 ч в сутки, первого класса с АСК, обеспечивающим объем собственного вещания до 4 ч в сутки, второго класса с АСК, обеспечивающим объем собст- венного вещания до 2 ч в сутки. 165
fe областных центрах, не имеющих собст- венного телевизионного вещания, в радиодоме второго класса могут быть при необходимости созданы телевизионные корреспондентские пункты для создания информационных сюже- тов для общесоюзных республиканских про- грамм в объеме до 3 мин среднесуточно. В со- став такого корреспондентского пункта вхо- дят передвижная телевизионная станция, по- мещение для размещения технологического оборудования и редакционная. В состав телецентра входят: аппаратно-сту- дийный комплекс, включающий студийные и вспомогательные технологические службы; холодильная станция, котельная (бойлерная), трансформаторная подстанция; инженер- ные сооружения АСК (теплотрассы, водопро- вод, канализация); база передвижных техни- ческих средств телевидения; телевизионные трансляционные пункты в городе; кинопро- изводственный комплекс. В состав радиодома входят: аппаратно-сту- дийный комплекс, включающий студийные и вспомогательные технологические службы; холодильная станция, котельная (бойлерная), трансформаторная подстанция; инженерные сооружения АСК (теплотрассы, водопровод, канализация); база передвижных технических средств радиовещания, которая может разме- щаться совместно с базой ПТС телецентра; радиовещательные трансляционные пункты в городе Основной частью радиодома и телецентра является аппаратно-студийный комплекс (АСК), который состоит из основных и вспомо- гательных технологических служб и предназ- начен для подготовки, формирования и вы- пуска программ. Упрощенная структурная схема АСК радиодома приведена на рис. 7.6 Аналогичную схему имеют и телецентры. Как видно из рис. 7.6, в состав АСК вхо- дят речевые и музыкальные студии, литдрам- блок (в крупных РД), студийные аппаратные (СА), монтажные аппаратные (МА), централь ная аппаратная (АЦ), трансляционная аппа- ратная (ТА), траиспуикты, служба внестудий- ных передач (ВСП), фонотека (ФНТ) Цент- ральная аппаратная имеет также связь с АТС и МТС. Создаваемые в радиодоме программы поступают в коммутационно-распределитель- ную аппаратную (КРА) Минсвязи СССР, а там, где отсутствуют КРА, программы из АЦ рас- пределяются непосредственно к потребите- лям—на радиовещательные станции, в город- скую сеть проводного вещания и в междуго- родные каналы звукового вещания. Качество программ контролируется в отделе техничес- кого контроля. В АСК радиодомов и телецентров распо- лагается следующее основное технологическое звуковое оборудование: микрофоны, магни- тофоны, пульты диктора, звукорежиссер- ские микшерные пульты записи, вещательные микшерные пульты, пульты центральной ап- паратной, стойки центральной аппаратной, контрольные агрегаты, измерители уровня, пульты и стойки отдела технического конт- роля. Радиовещательные студии делят на боль- шие, средние и малые концертные, камерные. В КРА Рис. 7.6. Структурная схема аппаратно-студийного комплекса радиодома 166
Таблица 7.5. Типы студий и их характеристик^ Студия Площадь, м8 Высота, м Оптимальное время ревер- берации, с Исполнителей, чел. Радиов Открытая для концертных программ зщательные с 1000 тудии 14 2-2,2 250+500 зрителей в присутствии зрителей Большая музыкальная для снмфони- 1000 13 2 250+250 зрителей ческих оркестров и хоров с возмож- ностью присутствия зрителей Те же, без зрителей 750 12 2 150 Средняя музыкальная для симфони- 350...450 8.5...I0 1,5...1,7 40...65 ческих оркестров Для эстрадной и джазовой музыки 350...450 8,5...10 0,9..1,1 35-60 Малая музыкальная, для записи не- 250. .390 8-8,3 0,9... 1,1 30-35 больших оркестров и хоров Камерная 150 6 1 10...15 Большая литературно драматическая 150...200 6 6,4 0,8... 1 20...30 Средняя литературно драматическая 100 5 0.5...0,7 10..15 Речевая 26..30 3,2...3,5 0,4 2-4 Заглушенная 50 4 0,15 6...10 Комиата-эхо 50 4 3 — Комната прослушивания 34...40 3,5 0.3 — Те лев Открытая для концертных программ изионные ст ус 1090 14 2...2,2 250+500 зрителей в присутствии зрителей Большая для литературно-драмати- 450. .600 10. 12,5 0,8-1 250 ческнх и музыкальных передач и съемок со сложным и средним деко- рационным оформлением Средняя для литературно-драматнче- 300 8,6 0,8 120 ских и музыкальных передач и съемок средних форм с несложным декорационным оформлением Малая 150 6,5 0.6...0.7 30 Дикторская программная для двух- 60...80 4,2...4,5 0,4 2.4 четырех дикторов или выступающих Дикторская кабина телекомментатора 10.12 2,6...2,8 0,2-0,3 1...2 речевые и литературно-драматические. По- следние обычно бывают в виде комплекса (блока) студий. Кроме того, в больших радио- домах есть еще радиотеатры. Телевизионные студии делят на такие же типы, включая и телетеатры, но вместо литературно-драмати- ческого блока в телевизионных центрах есть комплекс постановочных студий с высотой по- толков не менее 10 ... 12 м. В «Ведомственных нормах технологическо- го проектирования» ВНТП-01 -81 принята клас- сификация студий, их размеры, количество исполнителей и оптимальное время ревербера- ции, приведенные в табл. 7.3. 7.3. ОПТИМАЛЬНАЯ РЕВЕРБЕРАЦИЯ В СТУДИЯХ И ПРИЕМНЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ Оптимальным временем реверберации на- зывают такое стандартное время ревербера- ции, при котором звучание данной музыкаль- ной передачи в данном помещении будет на- нлучшим или при котором разборчивость речи будет наибольшей. Так как разборчивость речи уменьшается при увеличении времени ревер берации, то, следовательно, речевые студии должны выполняться с небольшим временем реверберации. Обычно для дикторских сту- дий рекомендуется время реверберации 0,4 с Для музыкальных студий рекомендуется вы- бирать время реверберации гораздо большим, до 2 .. 2,2 с. Если первичный источник звука и слуша- тель находятся в одном и том же помещении, величина оптимальной реверберации опреде- ляется по рис. 7.7, а, где кривая 1 — для ре- чевых передач; 2 — для малых музыкальных форм и оперных театров; 3 — для коицертиых залов (симфоническая музыка); 4 — для орган- ной музыки (штриховой даны приближенные аналитические зависимости). Кривые даны для частоты 500 Гц для раз- личных типов музыкальных и речевых передач в зависимости от объема помещения. Эти зна- чения оптимальной реверберации можно най- 167
ти по следующим приближенным формулам (точность около 10 %), где 7'0ПТ — в секундах, V—в кубических метрах: для речевых передач Гопт = 0,3 1g Г — 0,05; для малых музы- кальных форм и оперных театров Топ,е = = 0,4 lg V — 0,15; для симфонической му- зыки Т(,ат = 0,5 lg V — 0,3. Если в помещении будут исполняться раз- личные программы, то выбирают или среднее значение реверберации для всех видов про- грамм, или такое значение, которое соответст- вует наиболее важной или наиболее частой программе. Например, для клуба, который в основном используется для докладов и лекций, оптимальное время реверберации должно быть близким к речевому; в концертном зале, ис- пользуемом в основном для музыкальных пере- дач, время реверберации выбирается близким к времени музыкальных передач и т.п. Иногда в универсальных залах применя- ют переменное поглощение или устройства ис- кусственной реверберации, включая амбиофо- нические системы. Фактическое время ревер- берации при этом не должно отличаться от оп- тимального более чем на ± 10 %. Оптималь- ное время реверберации в зависимости от ча- стоты имеет разную величину. На рис. 7.7, б приведены пределы, в которые должно укла- дываться относительное время реверберации для музыкальных (/) и речевых (2) передач (за единицу принято время реверберации на частоте 500 Гц). Акустические расчеты помещения начина- ют с определения объема помещения и опти- мального времени реверберации. Затем под- считывают имеющийся фонд поглощения на всех средних октавных частотах от 125 до 8 000 Гц (иногда заменяют 8000 Гц иа 6000 Гц, так как для частоты 8000 Гц часто неизвестны коэффициенты поглощения). Затем подбира- ют дополнительные поглощающие материалы так, чтобы время реверберации на всех расчет- ных частотах укладывалось в заданные пре- делы рис. 7.7, б с точностью до +10 %. Студия является первичным помещением, входящим в систему «студия — электриче- ский тракт — помещение для слушания», по- этому оптимальные характеристики для сту- дий отличаются от оптимальных для обычных помещений. Ё концертных студиях врёмя ре- верберации должно быть от 1 с в малых сту- диях до 1,7 с в студиях с объемом более 3000 м3. В зависимости от стиля и характера исполне- ния оптимальное время реверберации полу- чается разным. Например, для одного и того же помещения исполнение классической сим- фонической музыки требует времени ревер- берации 1,54 с, симфонической музыки роман- тического стиля — 2,07 с, а современной сим- фонической музыки — 1,48 с, причем отклоне- ние от этих данных в среднем на 0,1 с уже заме- чается экспертами. Для органной музыки вре- мя реверберации должно быть от 1,5 до 2,5 с в зависимости от объема зала. Для джазовой музыки оптимальное время реверберации по- лучается менее определенным, чем для симфо- нической, но большинство слушателей склоня- ются к большему времени реверберации. Для исполнения камерной музыки, сольных и хо- ровых программ, небольших ансамблей опти- мум реверберации получается при меньшем времени реверберации, чем для симфонической музыки, и тоже зависит от объема студии. Для художественной передачи речи оптимальное время реверберации студии с объемом 500 м3 получается в пределах 0,7 ... 0,8 с. В основ- ных студиях литературно-драматического бло- ка время реверберации берут в пределах 0,5 . .. 0,6 с, в гулкой студии — не менее 3 с, в заглушенной — в пределах 0,2 ... 0,25 с, в постановочных студиях телевизионного веща- ния — 0,7, ... 0,8 с. В речевых студиях для передачи информационных программ время ре- верберации не должно быть более 0,4 с. Опти- мальное время реверберации для радио- и те- летеатров берут, как и для обычных театров и концертных залов (см. рис. 7.7, а). Рекомен- дуется небольшое снижение, но не более чем на 10 %. На рис. 7.8, а приведены оптимальные зна- чения реверберации студий для частоты 500 Гц в зависимости от объема. Здесь кривая 1 соот- ветствует реверберации речевых студий, 2 — для малых музыкальных форм, 3 — для кон- цертных программ. Штриховой линией—приб- лиженная аналитическая зависимость. При- веденные иа рис. 7.8, а следует рассматривать как минимальные значения, так как увеличить Рнс. 7.7. Зависимость оптимального времени реверберации от объема помещения (а) и допуски иа отклонение от оптимума (б) 168
Рис 7 8. Оптима тьное время реверберации студий (а) и допуски (б) время реверберации, если это требуется для создания оптимума звучания того или иного вида музыкального исполнения, гораздо лег- че, чем уменьшить его. Оптимальное время реверберации для сту- дий можно определить с помощью следующих формул: для концертных 7'0ПТ = 0,5 lg V— — 0,10, для малых музыкальных Т'опт = = 0,45 lg V — 0,30, для речевых 7’опт 0.4х X IgV — 0,40. Эти зависимости дают ошибку не более 10 % (см. рис. 7.8, а). Допускается от- клонение от оптимального времени не более ±10%. Для концертных студий допустимые пределы отклонений времени реверберации в основном частотном диапазоне приведены на рис. 7.8, б в виде ограничивающих рамок 1 (за единицу принято время реверберации на часто- те 500 Гц). Предпочтительно повышение вре- мени реверберации в сторону низких частот до соотношения Т’|95 Гц^бОО Гц 1.5 . 1,6. Снижение времени реверберации в сторону низких частот не допускается. В сторону высо- ких частот от 500 Гц рекомендуется подъем до 40% на частотах 2000 ... 3000 Гц. Для больших студий фактическое время реверберации с уче- том затухания в воздухе (по полной формуле Эйринга) на частоте 8000 Гц не должно быть ме- нее I с. Оптимальной частотной характеристи- кой времени реверберации для речевых сту- дий является частотно-независимая во всем диапазоне частот. Допускается спад в сторо- ну высоких частот не более 30 % на частоте 5000 Гц) и в сторону низких частот. Подъем в сторону низких частот не допускается (см. ог- раничивающие рамки 2 на рис. 7.8, б). Учитывая необходимость изменения вре- мени реверберации для получения оптималь- ного звучания различных программ, прихо- дится в каждой концертной студии, а также в основных студиях литературно-драматического блока предусматривать возможность измене- ния реверберации. С аналогичным требовани- ем приходится сталкиваться и при проектиро- вании универсальных залов Одним из реше- ний задачи является создание фонда перемен- ного поглощения в таких помещениях, а это приводит к использованию различных звуко- поглощающих конструкций, которые могут сравнительно легко и быстро вводиться в действие или выводиться из него Есть много различных конструктивных решений этой задачи. Например, применяются щиты с хорошо поглощающим материалом, за- крываемые щитами с хорошо отражаю- щей поверхностью; различного типа жа- люзи; вращающиеся колонны с различным по- глощающим материалом (при этом половина колонны всегда оказывается утопленной в стене) и т.п. Все эти методы очень громоздки и требуют довольно сложной механизации, ина- че они просто не под силу персоналу студий. Теперь широко применяют устройства искус- ственной реверберации и амбиофонии. В распоряжении звукорежиссера есть еще один метод изменения ощущения времени ре- верберации, основанный на использовании эк- вивалентной реверберации. Путем приближе- ния микрофонов к исполнителю и удаления от него можно изменять эквивалентную ревербе- рацию в довольно широких пределах Вели- чина эквивалентной реверберации определя- ется из выражения 1 1.1. НЯ -----=----+ -----1g------, 7-экв Т 1,2 R где Т — измеряемое время реверберации; Т ж у л ё-------?; R = 50,3 г2 (GST — E)/ESQ„— 6 аср Л’ акустическое отношение; г — расстояние от исполнителя; QIf — коэффициент осевой кон- центрации источника звука, V и S — объем и площадь ограничивающих поверхностей по- мещения; аср — средний коэффициент по- глощения. Пример. Определить эквивалентную ревер- берацию в двух точках помещения: г, = 0,5 м и г2 = 5 м для следующих его парамет- ров V = 1000 м3, S = 700 м2, Т = 1,2 с, П„ = 2. Акустическое отношение получается соответственно равным 0,036 и 3,6, а эквива- лентная реверберация —0,49 и 1,08 с. 7.4. ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ Акустическая обработка студий предназ- начена для обеспечения такого общего погло- щения, величина и частотная характеристика 169
которого соответствует требуемой характе- ристике времени реверберации. Без обработки поглощение недостаточно, и время ревербе- рации оказывается больше требуемого зна- чения. Коэффициентом поглощения материала а называют отношение поглощенной энергии звуковой волны / к падающей энергии /пад на поверхность этого материала а = ///пад- Если размеры поверхности поглощающего материала велики в сравнении с длиной пада- ющей звуковой волны и толщина его практиче- ски бесконечна, то коэффициент поглощения а = 1 — аотр — коэффициент отражения зву- ковой волны. Коэффициент поглощения в этом случае Г рс—413 р 1—1 рс-1-413 ] ’ где рс — удельное акустическое сопротивле- ние поглощающего материала, кг/м2-с (реак- тивной составляющей обычно пренебрегают из-за ее малости); 413 — удельное акустиче- ское сопротивление воздуха. Если рс > 413, то около поглощающей по- верхности получаются узел скорости колеба- ний и пучность зукового давления, а если рс < 413 — пучность скорости колебаний и узел звукового давления. Коэффициенты по- глощения зависят от угла падения звуковой волны на поглощающий материал. Различают нормальный коэффициент поглощения (для уг- ла падения 90°) и диффузный (для всевозмож- ных углов падения). В таблицах обычно при- водят только диффузный коэффициент погло- щения. Коэффициенты поглощения материалов за- висят от частоты. Одни материалы имеют боль- шее поглощение на низких частотах, другие— на высоких, третьи — на средних. Ряд мате- риалов имеет немонотонную зависимость ко- эффициента поглощения от частоты. Все это позволяет подбирать общее поглощение в по- мещении оптимальной величины во всем диапа- зоне передаваемых частот. По принципу звукопоглощения все матери- алы делятся на пористые, резонирующие и перфорированные. Другая классификация ма- териалов — деление на сплошные и пористые. Все сплошные звукопоглощающие материалы имеют акустическое сопротивление почти всег- да больше, чем у воздуха, а пористые — в большинстве случаев меньше его. Пористые материалы всегда комбинируют со сплошными, располагая сплошные позади пористых. При этом наименьшее поглощение у пористого ма- териала получается при его расположении вплотную к стене из хорошо отражающего сплошного материала, а наибольшее — прн расположении его на расстоянии четверти дли- ны звуковой волны (в воздухе) от поверхности хорошо отражающего материала. Несколько меньшая разница в поглощении получается при расстоянии 3/4 X и 5/4 X. При большем уда- лении от отражающей стены коэффициент по- глощения остается постоянным. Для поглощающего материала с размером, сравнимым с длиной звуковой волны, коэффи- циент поглощения зависит от соотношения между ними. Так, например, открытое окно имеет коэффициент поглощения больше едини- цы, особенно на низких частотах (энергия зву- ковых волн, падающих рядом с окном, уходит в него из-за явления дифракции). Коэффициент поглощения портьеры с небольшими размера- ми по сравнению с длиной звуковой волны больше, чем портьеры с большими размерами, поэтому лучше иметь ряд узких портьер, чем одну широкую (при равной общей ширине). Одна из распространенных конструкций пористых поглощающих материалов — об- лицовочная. Такие материалы изготавливают в виде плоских плит или рельефных (объ- емных пирамид, клиньев и т.п.), располагае- мых или вплотную, или на небольшом расстоя- нии от сплошной толстой стены. Пирамиды илн клинья устанавливают на небольшом рас- стоянии от стены, основаниями вплотную друг к другу, в помещение они обращены острыми углами. Такие конструкции создают большее поглощение, чем плоские плиты. Величина коэффициента поглощения зависит от толщи- ны материала. На рис. 7.9, а н б приведены частотные характеристики коэффициентов поглощения Рис. 7.9. Частотные характеристики коэффициента поглощения пористых материалов 170
Пористых материалов: 1 — известковая шту- катурка по деревянной обрешетке; 2 — ко- вер с ворсом, лежащий на бетонном полу; 3— арборит в плитах толщиной 2 см; 4 — фиб- роакустит в плитах толщиной 3,5 см; 5 — дра- пировка на стене; 6 — драпировка на расстоя- нии 10 см от стены. Из графиков видно, что по- ристые звукопоглощающие материалы дают преимущественное поглощение в области вы- соких частот и очень неэффективны в нижней части частотного диапазона. Другой распространенной конструкцией поглощающего материала являются резонанс- ные поглотители. Они делятся на мембранные и резонаторные. Мембранные поглотители представляют собой натянутый холст или тон- кий фанерный лист, под которым располагают хорошо демпфирующий материал (материал с большой вязкостью, например, некоторые сорта губчатой резины, поролоновые коврикн, строительный войлок и др.). Щиты с натяну- тым холстом (рис. 7.10, а) называют щитами Бекеши. Максимум поглощения получается иа резонансных частотах. Для натянутого холста с силой F резонансные частоты где р — плотность материала холста; Z, Ь и t— длина, ширина и толщина полотна; k — поря- док резонансной частоты. Пример. Полотно размерами 2x1 м и тол- щиной 2-10—4 м плотностью 200 г/м2 натянуто с силой 1,6 Н. Найти первую резонансную ча- стоту 1,6-103 ----1---------=50 Гц. 200-2-10-4-1 Следовательно, первый максимум погло- щения будет на частоте 50 Гц, следующий — на частоте 100 Гц и т. д. Коэффициент поглощения можно рас- считать, если знать вязкость материала, рас- положенного под фанерой, но практически та- кой расчет очень неточен. Для фанерного лис- та с соотношением длина-ширина = 2, за- крепленного по границам, резонансные часто- ты по длине листа определяются из выражения Рис. 7.10. Внешний вид (fl) и коэффициенты поглощения (б) резонансных поглотителей fh — 3,45-103 где / и t—длина и тол- щина листа, м. Пример. Дан фанерный лист длиной 2 м и толщиной 4-10-3 м, найти первую резонанс- ную частоту. Имеем /j = 3,45-103-4-10-3/22 = 3,5 Гц. Если лист расположен близко от твердой сте- ны, то его упругость будет повышена и соб- ственная частота также повысится. На рис. 7.10, б приведены коэффициенты погло- щения для фанерных щитов, расположенных близко от стены с заполнением промежутка между ними демпфирующим материалом: 1— фанера 3 мм с воздушным промежутком 5 см; 2 — то же, края демпфированы стекловатой; 3 — фанера 6 мм с воздушным промежутком 10 см, края задемпфированы минеральной ва- той, 4 — оконное стекло. Перфорированные резонаторные поглоти- тели (см. рис. 7.11, с) представляют собой сис- тему воздушных резонаторов, например резо- наторов Гельмгольца, в устье которых распо- ложен демпфирующий материал. Резонансная частота резонатора: где S — поперечное сечение горла резонатора, I — длина горла; V — объем полости резона- тора. На рис. 7.11, б приведены в качестве при- меров характеристики поглощения некоторых перфорированных конструкций (применяемых Рнс. 7.11. Разрез (а) и коэффициенты поглощения (б) перфорированных констукций 171
Для акустической обработки студий) при раз- личной их толщине 6, расстоянии от стены h и между отверстиями d, диаметре отверстия D: 1— для материала сб = 3 мм, D — 7 мм, d = 3 см и h = 5 см; 2 — для того же мате- риала при относе Л = 10 см; 3 — для фанеры с щелью 45 мм, 6=3 мм, d=6,5 см, фанера под- клеена тканью; 4 — тот же материал без под- клейки тканью, но с заполнением воздушного промежутка матами из асбестовой ваты. Пример. Резонатор имеет размеры: дли- ну горла 10~2 м, поперечное сечение 10~4 м и объем 10-3 м3. Его резонансная частота 10~4 10-2-10~3 ~ = 171,5 Гц (с = 343м/с). Наиболее распространенная конструкция резонаторных поглотителей — перфорирован- ный лист, расположенный на некотором рас- стоянии от твердой стены. Такая конструк- ция может рассматриваться как ряд резонато- ров. Если перфорация распределена по поверх- ности листа равномерно, то такой поглотитель будет иметь типичную резонансную кривую по- глощения, а если неравномерно, то можно по- лучить равномерную кривую поглощения. Для равномерного распределения отверстий резо- нансная частота где S — сечение отверстия; /э = б + + 0,5^/nS — эффективная толщина листа; б — толщина листа; h — расстояние от стены (потолка); d — расстояние между отверстиями. Пример. Лист толщиной 10 -3 м перфориро- ван отверстиями площадью 10—4 м2 с расстоя- ниями между отверстиями 0,1 м и расстоя- нием от потолка, равным 0,1 м, найтн резонанс- ную частоту. Эффективная толщина листа /д Таблица 7.4. Коэффициент звукопоглощения основных поглотителей а в зависимости от частоты, Гц Поглотитель 125 250 500 1000 2000 1000 6000 Слушатели 0,33 0,41 0,44 0.46 0,46 0 46 0,47 Слушатели на деревянных стульях 0,17 0,36 0,47 0,52 0,50 0,46 0,44 Кресло деревянное 0,02 0,02 0,02 0,04 0,04 0,03 0,03 обитое кожей 0,10 0,12 0,17 0,17 0,12 0,10 0.10 обитое кожей и поролоном 0,05 0,09 0,12 0,13 0,15 0,16 0,15 Крисло, обитое бархатом 0,14 0,22 0,31 0,40 0,52 0,60 0,62 Стул мягкий 0 05 0,09 0,12 0,13 0,15 0,16 0,15 Стул полумягкий 0,05 0,08 0,18 0,15 0,17 0,15 0.05 жесткий 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0.02 Публика на 1 м2 0,28 0,40 0,45 0,49 0,47 0,45 0,44 Паркет по асфальту 0,04 0,04 0,07 0,06 0,96 0,07 0,07 на шпонках 0,20 0,15 0,12 0,10 0,08 0,07 0,07 Пол на деревянных балках 0,15 0,11 0,10 0,07 0,06 0,07 0,06 Резина 5 мм на полу 0,04 0.04 0,08 0,08 0,08 0,10 0,06 Релип 0,04 0,05 0.07 0,07 0,08 0,08 0,06 Линолеум па тведой основе 0,02 0,02 0,03 0,03 0,04 0,04 0,04 Стена оштукатуренная и окрашенная краской 0,02 0,02 0.02 0.03 0,04 0,04 0,04 клеевой То же, масляной 0,01 0,01 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 Стена, оштукатуренная известкой с металличе- 0,04 0,05 0.06 0,08 0,04 0,06 0,06 ской сеткой То же, с деревянной обрешеткой 0,03 0,05 0,06 0,09 0,04 0,06 0,06 Деревянные плиты 0,12 0,11 0,1 0,03 0,08 0,11 0.12 Стена песочно-известковая 0,04 0,05 0,06 0,09 0,04 0,06 0,06 Обычная гипсовая штукатурка 0,04 0,04 0,04 0,06 0,06 0,03 0,07 Бетонная поверхность железненная 0,01 0,01 0,01 0.02 0,02 0,02 0.02 Штукатурка АЦП 0,27 0,31 0,31 0,31 0,33 0,40 0,13 Мрамор, гранит и другие шлифы 0.01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02 Кирпичная кладка без расшивки 0,15 0,19 0,29 0,28 0,38 0,46 0,45 То же, с расшивкой швов 0,03 0,03 0,03 0,04 0,05 0,06 0,06 Метлахская плитка 0,01 0,01 0,02 0,02 0,02 0,03 0,03 Проем сцены 0,20 0,30 0,30 0,30 0,30 0,30 0,20 Вентиляционные решетки 0,30 0,42 0,50 0,50 0,50 0,51 0,52 Окно (стекло ординарное) 0,35 0,25 0,18 0,12 0,07 0,04 0,03 Двери лакированные 0,03 0,02 0,05 0,04 0,04 0,04 0 04 сосновые 0,10 0,11 0,10 0,08 0,08 0,11 0,11 172
Таблица 7.5. Коэффициент звукопоглощения пористых поглотителей (Ь — зазор между отражателем и поглотителем) а в зависимости от частоты, Гц Материал Ь, мм 125 250 500 1000 9000 4000 6000 Минера доватные ПП 80 0,08 0,30 0,64 0,89 0,95 0,81 0,73 То же 50 0,21 0,40 0,72 0,98 0,97 0,79 0,75 «Стилит» — 0,43 0,98 0,89 0,99 0,95 0,87 0,75 Древесно волокнистые 50 0,22 0,30 0,34 0,32 0,41 0,42 0,42 «Фибролит» 30 мм — 0,06 0,16 0,25 0,38 0,59 0,63 0.59 То же 150 0,13 0,42 0,53 0,35 0,53 0,63 0,56 Акустические ПА/Д — 0,05 0,59 0,52 0,53 0,25 0,11 0,08 То же 100 0,34 0 62 0,52 0,52 0 26 0,15 0,14 Акустические ПА/О .— 0,01 0, 17 0,68 0,98 0,86 0.45 0,28 То же 100 0 20 0,52 0,98 0,85 0,80 0,45 0,28 Акустические ПА/С 100 0. 18 0 64 0.99 0 93 0,90 0,83 0,76 «Травертон» — 0.02 0, 14 0,65 0,90 0,87 0,86 0,88 То же 100 0,28 0,81 0,86 0,87 0,89 0,86 0,88 «Акмпгран» 100 0.29 0,70 0,68 0,68 0,75 0,74 0,70 «Брекчия» 50 0,33 0 44 0.69 0,88 0,92 0,69 0,66 Маты нз стеклохолста: «Атимс» 50 0.08 0,26 0.64 0,89 0,75 0,78 0,80 ATM 1—50 П — 0.36 0 76 0,98 0,89 0,88 0 58 0.47 Маты из минеральной ваты — 0.17 0,59 0,99 0 98 0,96 0 87 0 84 Тарная ткань в сборку 50 0.10 0,28 0,46 0,60 0,58 0,60 0,68 Репс 800 0.14 0 40 0,80 0,97 0,99 0,99 0.99 «Маркиза» Ковры: артикул 1346 — 0,04 0 23 0 40 0 57 0,53 0 62 0.60 — 0.02 0.05 0,26 0,47 0,54 0,70 0,71 артикул 15103 — — 0,04 0,21 0,45 0 55 0 62 0.64 латексный — — 0,04 0,15 0 31 0,63 0,72 0,63 безворсовый — 0.02 0.05 0,07 0,11 0,29 0,48 0.50 10 3 -4 0,51/лЮ ‘ 1,9•10 2м. Резонан- сная частота /о 343 2л 1 9- 10 2-0,1-0,01 ю--1 125 Гц Вместо ряда отверстий применяют щели в таких листах. Резонансная частота в этом слу- чае с / b 1а ~2л" у Idh где b — ширина щели; d — расстояние между щелями (остальные данные как и в предыду- щем случае). / Коэффициент поглощения резонатора оп ределяется активным акустическим Сопротив леиием демпфирующего материала, находяще гося в горле резонатора В качестве такого со- противления обычно применяют металличе- скую сетку. Коэффициент поглощения зависит от числа и размеров ячеек такой сетки Сетку располагают под листом с перфорациями Ре- же применяют для этого ткани, так как они негигиеничны В табл 7 4—7.7 приведены коэффициенты поглощения для ряда наиболее часто встреча- ющихся материалов. В этих таблицах коэф- фициенты поглощения для слушателей, кресел и стульев приведены на 1 единицу, а осталь- ные — на 1 м2. Пример, Определить требуемое поглоще- ние и время реверберации для аудитории на 250 человек. Пол паркетный, парты деревян- ные. потолок и большая часть стен (300 м2) пока обработаны гипсовой штукатуркой. Ауди- тория имеет две двери размерами по 3 м2, окон нет Объем помещения составляет 1440 м3. Из этого объема следует вычесть объем, находя- щийся под покатой частью пола. Он составляет 1,5 16x12 288 м3. Парты н люди занимают объем 115 м2. Объем выступа на передней сгене 36 м3. Следовательно, чистый объем аудито- рии составляет около 1000 м3. Площадь потолка равна 20X12 = 240 м2, площадь передней стены 12 x 6 72 м2, площадь задней стены 12x3 = 36м2. площадь пола под партами 12x4 48 м2, площадь парт и площадь проходов 12x16,5 198 м2, площадь боковых стен от потолка до парт 2x4x6=48 м2, пло- щадь боковых стен вдоль парт 2 x4x16 = 144 м2. Таким образом, общая площадь огра- ничивающих поверхностей помещения состав- ляет 786 м2. Из нее деревянные покрытия со- ставляют 246 м2, штукатурка — 540 м2. Из рис. 7.7 (кривая /) находим оптималь- ное время реверберации иа частоте 500 Гц для объема 1000 м3 Ойо равно 0,8 с. J73
Таблица 7.6. Коэффициент звукопоглощения мембранных поглотителей (d — толщина заполнителя) Материал d мм Ь. мм ct в зависимости от частоты, Гц 125 250 500 1000 2000 4000 6000 Фанера на «стилнте» Древесно-стружечный То же 100 100 — 0,47 0,01 0,30 0.39 0,09 0,24 0,18 0,09 0.08 0.14 0,08 0,07 0.13 0,09 0,10 0,12 0,14 0,13 0,10 0,14 0,14 То же с пластиком 100 — 0.34 0.28 0.22 0.11 0.11 0,12 0,14 Бумажно-слоистый 150 — 0,52 0,38 0.22 0,14 0,02 — -— Дюралюминиевый Плиты «Ацеид» 50 50 0,40 0.03 0,34 0.03 0.16 0.09 0.08 0,08 0,02 0,08 0,03 0,03 100 —- 0.38 0.28 0.21 0.12 0,05 0,05 0,04 Сухая гипсовая штукатурка 100 50 0,23 0,65 0,31 0,34 0,13 0,23 0,09 0,17 0,06 0,17 0,13 0,11 0,04 0,10 Пенопласт — — 0,02 0,09 0,19 0,16 0,14 0,12 0,12 То же 100 — 0,51 0,38 0.28 0,16 0.16 0,16 0,16 Панели из «волнита» — 50 — 0,10 0.22 0,21 0,08 — —- То же 50 — 0,16 0,72 0,93 0,20 0.14 0,02 — Щиты Бекеши 150 — 0,76 0,67 0,50 0,24 0,13 0.15 0,07 150 100 0,70 0.86 0,50 0.26 0,12 0,10 0,09 Полицилиндры То же 50 — 0,41 0,51 0,30 0.44 0,35 0.39 0,16 0,19 0.10 0,13 0,14 0,22 0,18 0,28 Таблица 7.7. Коэффициент звукопоглощения резонаторных поглотителей с покрывным листом из перфорированных материалов Материал d, мм Ь, мм СС в зависимости от частоты, Гц 125 250 | 500 1000 2000 4000 6000 Фанера 5 мм 50 0,06 0,42 0,20 0.07 0.07 0.06 0,06 100 100 0,80 0,52 0.27 0,14 0,12 0,10 0,10 Фанера 20 мм — 50 0,06 0.08 0.17 0,16 0, 10 0,08 0,08 100 100 0,78 0,98 0,95 0.50 0.32 0,27 0,28 Слоистый пластик, подклеенный — 50 0.06 0,32 0.35 0,12 0.07 — — марлей Дюралюминий 5 мм 50 50 0,26 0,89 0,99 0,47 0.15 0,04 —- Асбоцементные плнты —. — 0,71 0.95 0,86 0,53 0,18 0.04 № 1 № 2 50 50 0.21 0.50 0,99 0,64 0,39 0.25 0,20 50 50 0,24 0,72 0,96 0,77 - 0.57 0,34 0,20 № 3 50 50 0,56 0,62 0,52 0,35 0,18 0,08 0,05 50 50 0,62 0.59 0.51 0,42 0.27 0,20 0,06 50 50 0,45 0,79 0.67 0.44 0.25 0,07 0,03 № 6 50 50 0,34 0,81 0,70 0,54 0,35 0,26 0,06 № 7 50 50 0,40 0,97 0,75 0 52 0,31 0,16 0,06 № 8 50 50 0,38 0,87 0,77 0,70 0,51 0,31 0.17 № 9 50 50 0,28 0,79 0,98 0,70 0,47 0,23 0,20 № 10 50 — 0,31 0.69 0,91 0.75 0,60 0,35 0,30 Акустические плиты АГШ (гппсо- 50 — 0.23 0,47 0,98 0,73 0.44 0.41 0,41 вые штампованные) То же, подклеенные бязью АГШБ 50 — 0,28 0,69 0,94 0.76 0.51 0.43 0,42 Находим реверберационный коэффициент поглощения 0.161И 0,161-1000 а' -------- ------------ 0,274 Топт-S’ 786-0,8 Определяем средний коэффициент поглоще- ния по формуле агр„_1—1-₽-°-'-’74=О ,24. Требуемый фонд поглощения на частоте 500 Гц Лтр = acpS = 0,24-786 = 188 м2. Подсчитаем имеющийся фонд поглощения на той же частоте из расчета 250 слушателей. Коэффициенты поглощения берем из табл. 7.4. Люди вносят поглощение Лп = 0,44-250= 110 м2, гипсовая штукатурка на потолке и части стен А 0,04-540 22 м2, деревянные покрытия (пол. двери, парты и часть стен) А д= 174
Таблица 7.8. Результаты расчета среднего коэффициента поглощения и времени реверберации Поглотитель (I) и расчетные данные (11> । Количе- ство « 1 А 1 а ] А “ 1. А а । А ° А А Для частот. Гц 250 500 1000 2000 4000 6000 1 Люди Деревянные панели Гипсовая штукатурка Штукатурка АЦП Сумма 250 чел. 246 м2 420 м2 120 м2 786 м2 0,41 0,11 0.04 0,27 103 27 17 32 179 0,44 0,10 0,04 0,31 НО 25 17 37 189 0,46 0,03 0.06 0,31 112 7 25 37 181 0,46 0,08 0,06 0,33 112 21 25 40 198 0,46 0,11 0,03 0,40 112 27 13 48 200 0,46 0 12 0,07 0,13 112 30 30 52 224 11 ctcp — ^A/HS а' = —In (1 —аср) Т = 0,161 V/a'SS 0,227 0,258 0,79 0,240 0,276 0.74 0,230 0,261 0,78 0,250 0,286 0,72 0,253 0.293 0,69 0,283 0,332 0,62 = 0,1 246=25 м2. Имеющееся поглощение со- ставляет 157 м2. Необходимо добавить 31 м2. Заменим частично гипсовую штукатурку шту- катуркой АЦП. На частоте 500 Гц (см. табл. 7.4) ее коэффициент поглощения равен 0,31, а гипсовой 0,04. Следовательно, надо за- менить штукатурку на площади S = = 31/(0,31—0,04) = 116 м2. Например, мож- но покрыть штукатуркой АЦП половину потолка (120 м2). Подсчитаем фонд поглощения на остальных частотах, пользуясь табл. 7.4 — 7.7.. Резуль- таты расчета сводим в табл 7 8 Для получе- ния фонда поглощения вычисляем величины среднего коэффициента поглощения аср= = А/S = А/786, а по нему — величины ре- верберационного коэффициента по формуле а' = — In (1 — а ср). Затем вычисляем время реверберации для всех расчетных частот Т = 0,161 Via'S и все расчетные данные заносим в табл. 7.8. Определяем отклонение времени ревербе- рации на частотах 250 и 4000 Гц по отношению к 500 Гц. Эти отклонения составляют 1,07, т е частотная характеристика времени ревер- берации близка к оптимальной. Пример расчета большой концертной радио- вещательной студии. Требуется провести аку- стический расчет концертной студии, предназ- наченной для передачи н записи большого симфонического оркестра, исполнителей в 100 чел. 1. Определение размеров студии. В соот- ветствии с рекомендациями выбираем площадь пола и линейные размеры студии следующими: площадь пола S = 400 м2, длина / = 25 м, ши- рина b = 16 м, высота h = 10 м. Отсюда общая площадь внутренних по- верхностей; — 2lb + 2 b h + 2 lh— 1620 м2, объем: V = Sh = 4000 м3 2. Выбор оптимального времени ревербера- ции и его частотной характеристики. В соот- ветствии с рекомендациями, приведенными вы- ше, задаем оптимальное время реверберации на частоте 500 Гц: Т = 1,7 с. Частотную характеристику оптимального времени реверберации выбираем с подъемом в области низких частот. Значения Т на разных частотах сводим в табл. 7.9. I а б л и ц а 7.9. Требуемое время реверберации /, Гц 125 250 5000 1000 2000 4000 Т, с 2,0 1,8 1,7 1,7 1,7 1,7 3. Обеспечение требуемого времени ревер- берации (подбор звукопоглощающих материа- лов и конструкций) Общее поглощение А для заданного времени реверберации на часто- те 500 Гц определяем по формуле А = acpS^, Предварительно вычисляем —In (1—«ср) = = 0,161 V/TSj. и с помощью рис. 7.3 нахо- дим аср = 0,208. Общее поглощение определяем на всех рас- четных частотах, причем на 2000 и 4000 Гц учитываем поглощение звука в воздухе. Ре- зультаты расчета сводим в табл. 7.10. Подбираем звукопоглощающие материалы и конструкции так, чтобы общее поглощение А было близко к требуемому. Подбор произво- дим до тех пор, пока расчетное время ревербе- рации будет отличаться от заданного ие более чем на ± 10 %. Результаты расчета приведены в табл.7 11 и и на рис. 7.12. Исходя из требуемого количества единиц звукопоглощения, выбираем для обработки проектируемой студии перфорированные кон- струкции и полицилиндры, разработанные гспи. 175
Таблица 7.10. Требуемое общее поглощение в студии Частота, Гц 125 250 500 1000 2000 4000 Т, с 2,0 1.8 1,7 1.7 1 7 1.7 — In (1 —аср) 0,199 0,221 0.234 0,234 0,209 0.165 аср 0,18 0,197 0,208 0,208 0,189 0,152 А, м2 293 319 337 337 306 246 Частотные характеристики коэффициентов звукопоглощения этих конструкций приведены в табл. 7 4—7.7 Так как в студии всегда имеется некоторая аппаратура, а также технический персонал, в таблицу может быть введена специальная гра- фа, учитывающая вносимое ими поглощение (около 5 % А). Рис. 72 Кривые поглощения в большой концертной студии Рис. 7.13. Частотная характеристика времени реверберации большой концертной студии На рис. 7.13 изображены требуемая и рас- четная частотные характеристики времени ре- верберации 4. Размещение эвукопоглотителей. Звуко- поглотители размещаем по принципу равно- мерного распределения их по стенам и потолку. На стенах равномерно в определенной после- довательности чередуются полицилиндры 3 двух диаметров, перфорированные конструк- ции 2 и акустические плиты 4 (ПАО), создавая при этом эффективный в архитектурном отно- шении рельеф стен (см развертку студии, приведенную на рис. 7.14). Нижняя часть стен по всему периметру обработана деревянной панелью /. Потолок обработан перфорация- ми двух типов и полицилиндрами. Свободная часть потолка оштукатурена В студии применен поливинилацетатный пол, представляющий собой бесшовное моно- литное покрытие из мастики, приготовляемой на основе поливинилаиетатной эмульсии с до- бавлением песка и пигментов. Рис. 7 14 Развертка большой концертной студии с размещенными звукопоглощающими материалами: / — панель деревянная; 2 — перфорированная конст- рукция; 3 -полицилиндры; 4—ПАО 176
I а блица 7.11. Расчет времени реверберации Звукопоглощение иа частоте, Гц Наименование Площадь или число 125 250 500 1000 2000 4000 а 1 А а 1 А а А а А а А а А Основной фонд До Исполнители 100 чел. 0,28 28 0.40 40 0,45 45 0,49 49 0.47 47 0,45 45 Инструменты 100 шт. 0,23 23 0,26 26 0,26 26 0,29 29 0,32 32 0.36 36 Ковер 130 м2 0,12 15.6 0,14 18,2 0,23 29,8 0,32 41,5 0,38 49,5 0,42 54,5 Свободный пол (подиви 270 м2 0,02 5 4 0.025 6,75 0,03 8,1 0,035 9,45 0,04 10,8 0,04 10,8 пнлацетат) Свободные стены и по 712 м2 0.01 7,1 0,01 7,1 0,02 14,3 0,02 14,3 0,03 21,4 0,03 21,4 толок (оштукатуренный) Окно в аппаратную 2,6 м2 0.35 0,91 0,25 0.65 0,18 0,47 0,12 0,31 0,07 0,18 0,04 0,1 Дверн 8.2. 3 м2 0,3 2,48 0,3 2,48 0,3 2,48 0,4 3.3 0,4 3,3 0 4 3,3 Вентиляционные решет- 7,5 м2 0,30 2,26 0.42 3,16 0,50 3,74 0,50 3,74 0,50 3,74 0,51 3,84 ки Итого 84,8 104 130 151 178 175 Требуемое общее погло- 293 319 337 337 306 246 щенне Дтр Требуемый дополнитель- 208 205 207 186 128 71 ный фонд Дд = Дтр — Дс Расчетный дополни тельный фонд Панель деревянная (вы- 120 м» 0,42 50,5 0,28 33,6 0,18 21,6 0.09 11 0,12 14,4 0.25 15,0 сота 1,5 м) Полицилиндры 50 м2 0,5 25 0,40 20 0,44 22 0,33 16,5 0,13 6,5 0,16 8,0 То же 100 ма 0,49 49 0,44 44 0,39 39 0,19 19 0,13 13 0,22 22 Перфорированные конст 70 м2 0.05 3,1 0,42 29 5 0,98 68,5 0,9 63 0,8 55,2 0.45 31,5 рукции То же 100 м2 0,39 39 0,87 87 0,58 58 0,33 33 0,16 16 0,1 10 Акустические плнты ПАО 50 м2 0,8 40 0,58 29 0,27 13,5 0,14 7 0,12 6 0.1 5 Итого 207 244 231 150 111 91 ^0 “Ь 292 348 35; 301 289 267 Средний коэффициент поглощения аср 0,18 0.20 0,214 0,24 0,218 0,24 0,186 0,205 0,178 0,197 0,164 0,18 — In (1—аср) — S In (1 —<хСр) 326 390 390 340 320 284 Поглощение звука в воз- — 16 35 112 духе (4pV) Расчетное время ревер- берации Т'расч Требуемое время ревер берацин Ттрео Отклонение Трлсч 1,97 2,0 -0,03 1,65 1,8 —0,15 1,65 1,7 —0,05 1,79 1,7 +0,09 1,81 1,7 +0,11 1,63 1,7 —0,07 ОТ 7’треб, ДТ (Д7'/ГТр.п)-100, % — 1,5 —8,3 —2,9 ; 5,13 +6,5 —4,1 7.5. ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ СТУДИЙ Основные пути прохождения звука через перегородки следующие: через поры, щелн и т п. (воздушный перенос), через материал сте- ны или по трубам отопления, газа и водопрово да в виде продольных колебаний его частиц (материальный перенос) и передача колеба- ний посредством поперечных колебаний пе- регородки (мембранный перенос). В реаль- ных случаях звуковые колебания передаются через перегородку всеми тремя способами. Для уменьшения переноса звука через пере- городки необходимо делать нх слоистыми, под- бирая материалы слоев перегородки с резко Отличающимися акустическими сопротивле- 177
ниями (бетон поролон). Стены делают двой- ными с поглощением между ними Для умень- шения мембранного переноса стены делают мас- сивными (чтобы их резонанс обычно был на очень ннзкнх частотах). Для уменьшения шу- ма, создаваемого вибрациями, перегородки устанавливают на виброизолирующне проклад- ки. Прн падении звуковых волн с интенсивно- стью /Пад на какую-либо перегородку боль- ших размеров в сравнении с длиной волны интенсивность звука с другой стороны перего- родки /пр в условиях отсутствия отражения звука в пространстве за перегородкой будет определяться только звукопроводностью пере- городки. Коэффициент звукопроводности “пр = /пр//пад = Рпр/₽пад ИЛИ В Логарнф- мических единицах (звукоизоляция перегород- ки) Спер ~ 1-пад Спр = 20 1g (Рпад/Рпр)" где Lnp и Спад — уровни звукового давления с внутренней и внешней сторон перегородки. Для стен с поверхностной плотностью р < < 200 кг/м2 коэффициент звукоизоляции пере- городки в децибелах (с учетом только мембран- ного переноса) может быть определен по фор- муле СПер = 12,5 1g р + 14. Это значение совпадает с истинным для частот 500 ... ... 1000 Гц, для частот 50 ... 100 Гц звукоизо- ляция будет на 6 дБ меньше, а для частот около 4000 Гц на 6 дБ больше. Пример. Найти звукоизоляцию стены с по- верхностной плотностью 60 кг/м2. Она будет Спер = 12,5 1g 60 14=33,5 дБ. Для стен с плотностью больше 200 кг/м2 можно пользоваться формулой Спер — 14,5х Xlg р +15. Пример. Найти звукоизоляцию стены по- верхностью 20 м2 и общей массой 6000 кг. На- ходим Спер = 14,5 lg (6000/20) +15=51 дБ. На частотах 50 ... 100 Гц она будет около 51—6=45 дБ, а на частотах около 4000 Гц Спер = 51 + 6 = 57 дБ. Для двойных жестких перегородок с воз- душной прослойкой между ними звукоизоля- ция может быть определена из формулы Спер = = 14,3 lg (pjp2) + 20 lg 6 —13, где и р2 — поверхностная плотность первой и второй пере- городок; 6 — толщина воздушного слоя меж- ду ними. Формула дает хорошее совпадение с экспериментом для перегородок с поверхност- ной плотностью 30 .. 100 кг/м2 для частот 500 ... 1000 Гц. В табл 7 12 приведены величины звукоизо- ляции для некоторых конструкций и материа- лов перегородок. Если шум проникает в помещение извне через перегородку, то разность уровней с внешней стороны перегородки L] и в помеще- нии L2 называют звукоизоляцией помещения: Сном = Li — Г2 = 20 1g (Р1/рг), где рх и р2 — звуковые давления вне помещения и внут- ри его, соответствующие уровням и Г2. Уровень звукового давления в помещении Г2 = Гпрн + 10 1g (5пр/Л) =7-1 Спер+ + 10 lg (Snep/H), где Спер — звукоизоляция перегородки, LlipH — уровень проникающего шума; Snp — площадь перегородки; А — об" щее поглощение в помещении Если перегородка состоит из нескольких смежных участков, общая звукопроводность равна сумме звукопроводностей: Лпр = = 2 “пр h snep h, где «пр д — коэффициент звукопроводности k-ro участка перегородки, •Snep h — его площадь. Для сложной перегородки изоляция поме- щения Спом lOlgF/V^.s, / у cxnp^-Snepfel ['(п) // (*) ] = 10 1g (Л/Лпр), где Л = Ean Sn —общее поглощение в поме- («) щении; Лпр = Е«пРд«перД — общая звуко- проводность перегородок. Средний коэффициент звукопроводности в этом случае анр.ср= ^пр/-5пер2 = Лпр / У Sneofe. / (« где SnepS — общая площадь перегородки. Пример. Перегородка площадью 10 м2 имеет отверстие 10—3 м2. Звукоизоляция пере- городки равна 50 дБ. Чему будет равна звуко- изоляция перегородки с учетом проводимости отверстия? Общая звукопроводность Дпр = 10~6-10+ +1 10 3 = 1,1- 10~3 м2. Средний коэффициент звукопроводности «пр ср = 1,110-3/10 = = 1,1-10—*. Звукоизоляция перегородки Спер = Ю 1g (1/1,1 • 10—4) = 39,5 дБ. Следова- тельно, круглое отверстие в стене размером 10 см2 дало снижение звукоизоляции на 10,5 дБ При этом не было учтено то, что в силу дифракции звукопроводимость отверстия бу- дет в несколько раз больше, особенно на низких частотах. Из этого примера следует, что надо тща- тельно следить за тем, чтобы в стенах не было щелей. Пример. Помещение отделено от другого (шумного) перегородкой со звукоизоляцией 5 дБ. Определить звукоизоляцию помещения, если общее поглощение в помещении состав- ляет 40 м2, площадь перегородки составляет 100 м2. Спом= 50+10 1g (100/40) = 54 дБ. Студии располагают на тихих улицах, воз- можно дальше от проездов. Не допускается расположение студий в смежных по- мещениях — между ними должны располагать- ся помещения с низким уровнем шумов (скла- ды, архивы и т. п.). Студии предпочтительно располагать в уединенных местах здания, как можно дальше от шумных помещений. Для большинства студий предпочтительны цоколь- ный и первый этажи. Фундаменты зданий долж- ны быть изолированы от общего фундамента звукоизолирующими прокладками и засыпкой 178
Таблица 7.12. Среднее значеине звукоизоляции Qnep различных материалов и конструкций Материал или конструкция Толщина, см Поверхност- ная плот- ность, кг/м2 Qnep, дБ Бумага оберточная грубая 0,08 1,5 Брезент 0,06 4,40 5 То же Волосяной войлок: 0,06 3,42 4 в одни слой 2.5 3,66 6 в два слоя по 1,5 см 3 5,65 9 в трн слоя 4,5 8,51 1,3 в четыре слоя 6 10,3 17 Одеяло из минеральной шерсти, покрытое с обеих сторон бумагой 1.3 1,5 16 Спрессованный картон 0,5 3 16 Картон в несколько слоев 2,0 12,0 20 Асбестовый картон ' 0,25 2,25 18 Шевелин 50X50 см 1,25 1,75 14 То же Доска сплошная: 2,50 3,50 28 сосновая 3,0 19,5 12 дубовая 4,5 33,5 27 Фанера трехслойная 0,32 2,54 19 То же 0,64 3,56 21 Плиты из прессованной пробки 5 30 20 Фибролит магнезиальный (в плитах) размером 50X50 см 7 24.5 19 То же, оштукатуренный с одной стороны (толщина штукатурки 1 см), с неоштукатуренной стороны 8 34.3 38 То же, с оштукатуренной стороны 8 34,3 42 То же, без штукатурки, но с оклейкой с двух сторон фанерой толщиной 3 мм 7,6 28,7 42 Торфоплита 50X50 см 3 7,5 25 То же, оклеенная с двух сторон на животном клее фанерой толщиной 3 мм 3,6 11,5 45 Железо листовое 0,2 15,6 33 Свинец 0,15 19 30 То же Стекло: 0,32 38,1 32 зеркальное 0.63 17,5 30 двойное с промежутком 3,8 см 0,63 — 40 то же, 19 см 0,63 — 45 » 40 см 0,63 —— 48 Прессованная солома 9 см, оштукатуренная в обеих сторон 12 72 39 Соломитовые плиты 2X5 см и между ними битуми- зированный пергамин Шлакогипсовые стенные плиты: 14,5 100 42 2X5 см 13 120 40 2X6 см Пемзобетонные стенные плиты: 17 150 42 2X6 см 15 135 40 2X8,5 см 20 185 43 Стены из пемзобетона 14 150 42 То же 23 250 50 Стена из шлакобетона 14 150 42 То же из железобетона 10 240 49 » из пустотелых пемзобетонных блоков 19 190 43 То же 29 270 50 Стена из кирпичной кладки в 0,5 кирпича без шту- катурки (из красного кирпича) 12 204 48 То же, в 1 кирпич 25 425 53 » в 1,5 кирпича 38 646 56 179
Окончание г а б л. 7 12 Материал или конструкции Толщина, см Поверхност- ная плот- ность, кг/м2 Qnep, дБ » в 2 кирпича 52 884 58 » в 2,5 кирпича 64 1088 59 Перегородка одинарная из досок толщиной 2 см. 6 70 37 оштукатуренная с обеих сторон, с оклейкой обоями Перегородка одинарная из досок толщиной 2,5 см. 7 76 39 оштукатуренная с обеих сторон по войлоку Перегородка двойная из брусков 10 см, обшитых с 18 95 45 двух сторон досками толщиной 2,5 см и оштукату- ренная с двух сторон То же, с оштукатуркой по войлоку Перегородка двойная из фанерных листов толщиной 19 96 47 3 8 26 3 мм с промежутком 2,5 см, заполненным шлакова- той То же, с промежутком 5 см 5,5 12 29 » 6,5 см 7 14 34 Гипсовые пустотелые камни толщиной 1 см с двумя И 117 41 стенками толщиной по 1.5 см и промежутком 8 см, с засыпкой шлаком Окно двойное, плотно пригнанное и плотно закрытое 25 Окно одинарное, плохо закрытое — — 8,5 Дверь обычного типа с филенкой из 2,5 см досок (с — — 18 двумя панелями) с обвязкой толщиной 4,5 см То же, с обвязкой толщиной 2,5 см и филенкой из 3 мм фанеры То же, оклеенная фанерой размером 90X200 см 10 — — 22 Тяжелая дубовая дверь размером 90X210 см, плот — —“ 25 но пригнанная Металлическая дверь (герметичная) — — 30 пространства между общим и индивидуальным фундаментами (засыпка песком, прокладки из демпфирующих изоляционных материалов резина, строительный войлок, различные син- тетические материалы) Студии строят по прин ципу «коробка в коробке». Стены радиодомов, и особенно студий (рис. 7.15), должны быть двойными, без жесткой связи между ними и с расположением поглощающих материалов между стенами. Фундамент здания изолиру- ют от остального грунта. Каждая из стен долж- на опираться иа свой изолированный фунда- Рис. 7.15 Вибро- и звукоизоляция студии меит и устанавливаться на вибропрокладки В студиях применяют специальные двойные двери с уплотнителями (рис 7.16, а), плаваю- щие полы (рис 7 16, б) и подвесные потолки (рис. 7.16, в). Здесь обозначено: 1 — дверное полотно; 2— бруски коробки; 3 — дубовая облицовка; 4 — минеральный войлок; 5 — наличник; 6 — накладка; 7 — скоба; 8 — накладка; 9, 10— губчатая резина; 11 — прорезиненная ткань; /2— дощатый пол; 13— деревянная лага; 14— шлаковата; 15 — упругая прокладка; 16— пружина; 17 — паркет; 18 — асфальт; 19— монолитное железобетонное покрытие; 20— пружинная подвеска; 21 — прокладка; 22— штукатурка по сетке Рабитца; 23 — мат из асбестовой крошки в марле; 24 — каркас из круглого железа диаметром 25 мм. Все студии снабжают тамбурами для про- хода в них из коридоров и других помещений. Аппаратные должны быть отделены от студий просмотровым окном из трех рам с не- параллельным расположением стекол Конст- рукция смотрового окна показана на рис.7.17, где: 1 — пористо-губчатая резина; 2—стекло зеркальное толщиной 8 мм; 3 — то же, 10 мм; 4 — звукопоглощающая конструкция; 5 — минеральный войлок 180
Рис. 7.16 Конструкция студийных дверей (а), плавающих полов (б) и подвесных по- толков (в) Допустимый уровень шумов в студнях 20... 25 дВ, т. е. немного выше уровня собствен- ных шумов конденсаторных микрофонов. На- ибольший уровень шумов часто создается из за проникновения их из аппаратной в студию, так как уровень передачи в ней довольно высок, а изоляция окна (даже с тройной рамой) недостаточна. Но в данном случае это не так важно, так как такая помеха ощущается как один из отраженных звуковых лучей. Пример. Рассчитать уровень акустических шумов, проникающих в студию извне (кроме шумов вентиляции). Размеры студии 15 X 15 ,< 8 м. Внешняя стена 15 8 м кирпичная толщиной в 2,5 кирпича (Q, = 59 дБ), улич- ный шум 75 дБ Стена, отделяющая студию от коридора, 15x8 м кирпичная в 1 кирпич (<+ = 53 дБ), дверь в ней размером 4 м2 металлическая двойная (считаем, что одна дверь в тамбуре приоткрыта) (Qa = 30 дБ). Шум в коридоре 65 дБ. Две стены, отде- ляющие студию от склада, 2 15 '8 м из пемзобетона (Q4 = 42 дБ). Шум на складе — ие более 50 дБ. Потолок имеет звукоизоля- цию Q 55 дБ, шум наверху 65 дБ. Сту- дия находится на первом этаже, и шум через пол не проникает Окна в аппаратную раз- мером 2 м2 двойное с промежутком 40 см (Q = 48 дБ) Посторонний шум в аппаратной не превышает 75 дБ. Общее звукопоглощение в студии А 200 м2. Шум от наружной стены Б, = 75—594 + 10 1g (120,200) = 14 дБ; нз коридора через стену L2 = 65 —53 (- 10 1g (120 200) = 10 дБ; из коридора через дверь La 65—30 i 10 lg (4 200) 18 дБ; через боковые стены Lt 50—424 Ю 1g (240;200) = 9дБ; через пото- лок Б5 = 65—55 10 1g (225/200) = 9 дБ; через окно Le— 75—48 10 1g (2/200) 7 дБ. Общий уровень шума Боо = 14 (4)10 ( ) ( ) 18 ( ) 9 ( ) 7, где знак ( I ) означает суммирование уровней по их интенсивности. Переводим уровни в относительную интенсив- ность и складываем последние: /об//0 = 25.1 i + 10 63,1 84 8 + 5= 119,2 Общий уровень шумов Боо 10 1g 119,2 — 20,8 дБ, т. е. на- ходится в норме Особое внимание необходимо уделять сни- жению уровня шумов от вибраций машин, ра- боты вентиляционных устройств и устройств кондиционирования. Шумы от вибрации машин снижают про- кладками между опорами машин и их фунда- ментом. Шум от вентилятора и устройств кон- диционирования снижают с помощью акусти- ческих фильтров. Простейший фильтр пред- ставляет собой трубу, облицованную поглоша ющим материалом. Затухание уровня шума (в децибелах) пропорционально длине трубы I, ее периметру п и обратно пропорционально сечению 5. т. е. ДБ = anl/S, где а — коэф- фициент пропорциональности, зависящий от материала стенок- для металлических 0,01; для шлакобетонных и деревянных 0,08; при облицовке их войлоком толщиной 1 см 0,5. Он приближенно равен коэффициенту поглоще- ния облицовочного материала Рис 7.17. Коштрукция смотрового окна 181
a) f) 6) Рнс. 7.18. Ячеечный (а), пластинчатый (б) и камерный (в) глушители Пример. Найти затухание звука в венти- ляционной трубе длиной 5 м, диаметром 0,3 м, облицованной войлоком: л0,3-5 AZ. 0,5-----1--- 33 дБ. л0,32/4 Для большей эффективности вентиляцион- ные каналы делают из составных труб: часть из них облицовывают войлоком, а промежут- ки между ними делают шлакобетонными или деревянными Еще более высокую эффектив- ность снижения уровня шумов получают при использовании сложных акустических фильт- ров, которые состоят из отрезков труб разного диаметра. На рис. 7.18 приведены глушители трех типов: ячеечный, пластинчатый и камер- ный. Для фильтров, состоящих из отрезков труб, затухание определяется (без учета поглоще- ния стенками трубы) из формулы 1 4-/1 \L 101g——; А 6 1-/1 1 -4<i)g/(o2 1—2<O2/®2 где S] и S2 — поперечные сечения труб, Si <ч S2; /] и 12 — длины отрезков труб; п — число звеньев фильтра. Пример. Рассчитать затухание, вносимое акустическим фильтром, состоящим из 5 звень- ев, если поперечные сечения отрезков труб со- ответственно равны 0,001 и 0,1 м2, а длины от- резков 0,3 и 0,3 м. Подставляя данные в форму- лу, получаем на частоте 100 Гц затухание 54 дБ. К этому значению следует добавить за- тухание из-за звукопоглощения стенками труб. 7.6. ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ СТУДИЙ И АППАРАТНЫХ В студиях и студийных аппаратных исполь- зуют следующее основное технологическое зву- ковое оборудование: микрофоны, магнитофо- ны, пульты диктора, звукорежиссерские мик- шерные пульты записи и монтажа, вещатель- ные микшерные пульты, громкоговорители и акустические контрольные агрегаты, частот- ные корректоры, ручные и автоматические ре- гуляторы уровня, ревербераторы и линии за- держки, измерители и индикаторы уровня и т. д. Микрофоны, магнитофоны, громкоговори- тели рассматриваются в других главах дан- ного справочника. Основную электронную звуковую аппаратуру рассматривают в кни- гах по радиовещанию. Поэтому в этом пара- графе дается краткая характеристика мик- шерного пульта, в состав которого входят различные устройства усиления, обработки и контроля звуковых сигналов, а также рас- сматриваются устройства искусственной ре- верберации и амбиофонические системы. Микшерный пульт представляет собой уст- ройство, состоящее из конструктивно объеди- ненных блоков и предназначенное для обработ- ки звуковых сигналов, подготовки, формирова- ния и выпуска программы звукового вещания. Современные пульты являются наиболее сложными устройствами в трактах формирова- ния и обладают большими функциональными возможностями. В их состав входит большое число различных блоков, а число органов уп- равления в некоторых микшерных пультах превышает 2000 Основные операции, которые осуществляют с помощью микшерных пультов: регулировка уровней звуковых сигналов от отдельных ис- точников и их смешивание в определенных со- отношениях; регулировка уровней от источни- ков, сгруппированных определенным образом; общая регулировка уровней звукового сигна- ла; изменение частотного спектра звуковых сигналов; усиление сигналов; дополнительная автоматическая регулировка уровней и дина- мического диапазона с помощью авторегулято- ра уровня; изменение акустической окраски звучания с помощью устройств искусственной реверберации, подключаемых к пульту; фор- мирование вещательных передач из отдельных фрагментов; визуальный и слуховой контроль звуковых сигналов с помощью различных изме- рительных приборов и устройств прослушива- ния По назначению микшерные пульты условно можно разделить на три группы: звукорежис- церские микшерные пульты записи; микшер- ные пульты перезаписи и монтажа вещатель- ные микшерные пульты. 182
Звукорежиссерские микшерные пульты за- писи в зависимости от числа индивидуальных микрофонных каналов разделяют на малые, средние и большие. Малые звукорежиссерские пульты имеют 6—12 микрофонных каналов, средние — 16—20, большие — 24—40 и более. По числу последовательно включенных ка- налов пульты записи подразделяются на двух- звенные и трехзвенные. Трехзвенные пульты содержат индивидуальные (микрофонные), групповые и общие каналы. Двухзвенные пульты групповых каналов не имеют. Микшерные пульты перезаписи и монтажа обычно бывают самыми простыми по устрой- ству, чаще всего содержат четыре — шесть входных и два выходных канала. Вещательные микшерные пульты содержат шесть — восемь входных каналов и два выход- ных канала. Входные каналы выполняют либо все универсальными (высокого и низкого уров- ня), либо два входных канала выполняют низ- кого уровня (на них подают сигналы с микро- фона), а остальные — высокого уровня. Микшерные пульты первого поколения были монофоническими, второго — монофонически- ми и стереофоническими, третьего — практи- чески все могут быть использованы для стерео- записи (или стереофонического вещания). В состав микшерных пультов входят раз- личные усилители (микрофонные, промежуточ- ные, линейные и другие), частотные корректо- ры (плавного подъема и завала, среза, присут- ствия), ручные регуляторы уровня (индивиду- альные, групповые, общие), автоматические регуляторы уровня (компрессоры, шумо- подавители, ограничители), сборные шины, измерители уровня, устройства управления, коммутации и сигнализации. При проектировании микшерных пультов для описания и удобства анализа их работы широко применяют структурные схемы. На них условными обозначениями показывают все блоки, через которые проходят сигналы зву- кового вещания (усилители, регуляторы, кор- ректоры, коммутаторы, аттенюаторы и т.д.). йсе соединительные цепи показывают в одйб- проводном изображении. При нескольких од- нотипных параллельных трактах обычно изоб- ражают один или два. Цепи питания, резерви- рования, сигнализации чаще опускают. Такая структурная схема дает наглядное пред- ставление об Общем построении пульта, его со- ставе. функциональных возможностях, взаимо- действии отдельных блоков в процессе прохож- дения вещательных сигналов. Рассмотрим типовую структурную схему на примере двухзвенного микшерного пульта (рис. 7.19). В состав каждого индивидуального вход- ного канала микшерного пульта входят: уни- версальный усилитель (УУ), состоящий из сим- метрирующего устройства — в данном случае трансформатора (Т), переключателя чувстви- тельности — аттенюатора (Ат) и микрофон- ного усилителя (МУ); частотный корректор (Кор); компрессор (Ком), индивидуальный регулятор уровня (ИР); промежуточный уси- литель (ПУ). Каждый общий (выходной) канал содержит последовательно включенные проме- жуточный усилитель (ПУ), общий регулятор уровня (ОР), еще один ПУ, инерционный огра- ничитель уровня (Огр) и линейный (выходной) усилитель (ЛУ). С выхода индивидуальных входных каналов на входы общих выходных каналов звуковые сигналы поступают через сборные шины. Входной универсальный усилитель предназ- начен для усиления звуковых сигналов, при- ходящих от любого источника; микрофона, магнитофона, соединительной линии, а в те- левидении также от видеомагнитофонов или кинопроекционной аппаратной. Так как уро- вень сигналов на выходе различных источников неодинаков, то в пультах всегда предусматри- вают переключатель чувствительности, обоз- наченный в данном случае Ат. Диапазон вход- ных уровней составляет обычно —|- 12 .. ...— 78 дБн. Основное назначение микрофонного усили- теля заключается в усилении поступающих с Рнс. 7.19. Структурная схема микшерного пульта 183
микрофонов слабых полезных звуковых сигна- лов (их номинальный уровень обычно состав- ляет — 32 ... — 72 дБн) до значения, которое можно обрабатывать и регулировать и которое выбирают разработчики, как правило, в пре- делах — 10 .. — 15дБн К микрофонному усилителю предъявляют также требования повышенной помехозащи- щенности. На его вход поступают с микрофона слабые сигналы (по сравнению с другими ис- точниками), и поэтому именно микрофонный усилитель определяет собственные шумы всего микшерного пульта. Еще одно требование к МУ — это необхо- димость иметь перегрузочную способность не менее 26 . 30 дБ. Ведь плавные регуляторы уровня ИР и ОР стоят после него, поэтому с их помощью невозможно в случае перегрузки снизить уровень на входе МУ, а переключатель чувствительности Ат во время записи или не- посредственного вещания использовать нельзя так как он изменяет уровень ступенями сразу через 6 или 10 дБ. При проектировании звуковой аппаратуры обычно вход и выход делают симметричными, так как при этом обеспечивается лучшая по мехозащищенность Поэтому и в микшерных пультах все входы делают симметричными. В рассматриваемом микшерном пульте симмет- рирование обеспечивается трансформатором (Т) Кроме того, для снижения шумов вход ные цепи тщательно экранируют, включая трансформатор. Внутри пульта связь между отдельными блоками несимметричная, что значительно облегчает его построение. Входное сопротивление микшерного пуль- та также определяется его первым звеном, т. е. универсальным усилителем В современных микшерных пультах для микрофонных каналов входное сопротивление обычно принимают равным 200, 600 или 1000 Ом, а для каналов высокого уровня — чаще всего 5 или 10 кОм С выхода УУ сигналы поступают на кор- ректор Кор, представляющий собой набор фильтров и предназначенный для частотной обработки звуковых сигналов. Частотные кор- ректоры всех современных микшерных пуль тов имеют в своем составе по крайней мере три типа фильтров: плавного подъема и завала нижних и верхних частот, среза нижних и верхних частот, «присутствия». В некоторых звукорежиссерских микшерных пультах име- ется также четвертый тип частотных коррек- торов — графический корректор, называемый также эквалайзером. С помощью корректоров можно осуществлять относительное усиление или ослабление отдельных частот в пределах ±20 дБ, срезать нижние и верхние частоты с крутизной 12 ... 18 дБ/октава и т.д. После корректора в микшерных пультах обычно устанавливают компрессор Ком, ко- торый сжимает динамический диапазон звуко- вых сигналов Различают речевые и музыкаль- ные компрессоры. Речевые компрессоры имеют время срабатывания 1 мс, время восстановле- ния 300 мс, сжатие динамического диапазона 10 дБ Практически все современные речевые компрессоры содержат пороговый шумоподави- тель, который снижает шумы в паузах переда- чи на 10 дБ, т. е. на то же значение, на которое поднимает сигналы сам компрессор Музыкальные компрессоры обычно не име- ют в своем составе порогового шумоподавите- ля. Время срабатывания у них также составля- ет 1 мс, а время восстановления с помощью переключателя может выбирать звукорежис- сер обычно в пределах 0,1 .2 с. Величину сжатия также можно выбирать — она состав ляет 5, 10, 15 и 20 дБ. Компрессоры позволяют выделять при за- писи звучание отдельных инструментов, делать звучание более насыщенным, увеличивать сред- нюю громкость сигналов, повышать разборчи- вость речи, делать ее более равномерной, улучшать соотношение громкости звучания речи и музыки. Следующим устройством в микшерном пульте является индивидуальный регулятор. С помощью этих регуляторов звукорежиссер осуществляет наиболее важные операции по созданию звукового образа (регулирование уровня, нахождение оптимального соотноше- ния звучания отдельных источников, регули- ровку динамического диапазона и т. д.). Инди- видуальные (ИР) и общие (ОР) регуляторы уровня совместно со сборной шиной представ- ляют собой смесительное устройство Отсюда пошло название самого микшерного пульта как устройства, предназначенного для мик- ширования или, иными словами, для смеши- вания сигналов. На практике часто и сами ре- гуляторы называют микшерами, подчеркивая, что их основное назначение — смешивать сиг- налы. Микшеры бывают плавными и ступенчаты- ми. Если микшер ступенчатый, то должно вы- полняться условие, чтобы ступенька (шаг) не превышала 1 дБ. так как при большем шаге скачкообразность регулировки становится за- метной на слух. Динамический диапазон, т е. предел регулирования микшера, должен быть не менее 80 дБ. Микшеры выполняют в виде мастичных потенциометров, мостовых регуля торов, на оптронах, герконах и других эле- ментах. Промежуточные усилители, которые име- ются как в индивидуальных, так и в общих ка- налах микшерных пультов, выполняют функ- ции усиления сигналов на величину, опреде- ляемую затуханием в предшествующем блоке (ИР, ОР, Ш), а также для разделения отдель- ных блоков и исключения их влияния друг на друга. Ограничитель уровня предназначен для защиты следующих за ним устройств от пере- модуляции (перегрузки). К выходу микшер- ного пульта обычно подключают магнитофон, который записывает сигналы будущей пере- дачи. Повышенная намагниченность магнит- ной ленты приводит к увеличению нелиней- ных искажений, для ослабления которых в выходном канале микшерного пульта устанав- 184
ливают ограничитель с параметрами: диапа- зон ограничения не менее 20 дБ, превышение не более 1 дБ, время срабатывания 1 мс, вре- мя восстановления 1.5 с. На выходе микшерного пульта стоит линей- ный усилитель (ЛУ) Помимо обычного тре- бования усиливать сигналы до нормируемого значения (в микшерном пульте обычно преду- сматривают выходной уровень 6 и 12 дБн). к ЛУ предъявляют следующие требования: он должен иметь симметричный выход и низ- кое выходное сопротивление. Симметричность позволяет работать с любой нагрузкой (сим- метричной и несимметричной) и обеспечивает высокую помехозащищенность. Низкое выход- ное сопротивление обеспечивает стабильность выходного уровня, возможность подключать к выходу несколько потребителей и тоже спо- собствует повышенной помехозащищенности. Время реверберации в студии может регу- лироваться с помощью щитов, экранов и т.п Для увеличения времени реверберации ис- пользуются ревербераторы, которые подклю- чаются к звукорежиссерскому микшерному пульту. Схема включения системы искусственной реверберации показана на рис. 7 20. С выхода микрофона сигнал поступает в основной ка- нал / микшерного пульта, а также ответвля- ется в кандл 2 и поступает на вход системы ис- кусственной реверберации. С выхода системы реверберационный сигнал поступает в канал 3 микшерного пульта и затем на шииу Ш, где он и подмешивается к основному сигналу С шины Ш сумма основного и реверберацион- ного сигналов через общий канал поступает на выход микшерного пульта. Как известно, для речевых студий рекомен- дуется время реверберации примерно 0,4 с, а для музыкальных —обычно 1,5 ... 2 с. С помощью систем искусственной ревербера- ции можно получить время реверберации до 5с. Эффект соответствующего времени ревер- берации создается изменением или соотноше- ния между основным и подмешиваемым сигна- лами, или времени реверберации в самом уст- ройстве. В этих случаях эквивалентное время реверберации может быть вычислено по сле- дующей приближенной формуле: I /'Гэкв = 1 / Грев + (1 /1,2) lg (1 + р*сн//7ев). Она дает достаточно близкие к истине ре- зультаты при условии, что время ревербера- ции самого ревербератора 7'рРВ на 30 ... 40% больше времени реверберации помещения и при соотношении звуковых давлений ревер- берирующего и основного сигналов равном единице и больше Пример. Найти эквивалентное время ре- верберации при равенстве уровней основного и реверберирующего сигналов рОсн = РревДля времени реверберации ревербератора Трев~- = 6 с и Грев 2 с. Подставляя данные в фор- мулу, получаем 1'7"зкв — 1 4- 1 1,2) 1g 2. Для Трвв= 6 с Гя|(в = 2,4 с; для ТрРИ Рис. 7.20. Схема подключения ревербератора к пульту — 2 с 7’зкв — 1.33 с. Найти то же самое при соотношении росн Древ = 0, 1 Получаем । £экв — I- Т’рев т- (1 1,2) 1g 1,1, откуда для Грев = 6 с 7'экв = 5 с; для 7'рев = 2 с Тякв =1,88 с Системы искусственной реверберации классифицируются следующим образом: эхо- камерные, магнитные (магнитофонные), лис- товые, пружинные и цифровые. Эхокамеры. Это специальные помещения с большим временем реверберации. Первыми системами искусственной реверберации были именно эхокамерные. Эхокамеры могут обес- печивать высокое качество зучания лишь при соблюдении определенных требований, касаю- щихся объема камер, их акустической обработ- ки и степени звукоизоляции. Объем эхо камеры должен быть не менее 120 м3. Для увеличения времени ревербера- ции эхокамере придают неправильную в пла- не форму с непараллельными полом и потол- ком. Для повышения диффузности поля стены эхокамеры делают рассеивающими путем раз- мещения на них большого числа жестких кли- нообразных выступов. Стены их делают бетон- ными. возможно более гладкими, с полным от- сутствием пор. Стены должны быть массивны- ми во избежание резонансных явлений. Для диффузности звука стены располагают непа- раллельно друг друг. В больших радиодомах бывает до двух — трех эхокамер, ио этот спо- соб считается дорогим и громоздким. Из всех устройств искусственной ревербе- рации все же этот способ дает звучание, более близкое к натуральному. Время реверберации Т эхокамеры опреде- ляется по формуле Сэбина: 7 = 0,161 V/aS, где V — объем эхокамеры, S — суммарная площадь всех отражающих поверхностей эхо- камеры, а — коэффициент поглощения. В составе литдрамблоков крупных радиодо- мов и телецентров страны имеются гулкие ком- наты, которые обычно и используют для повы- шения реверберации исходных звуковых сиг- налов Магнитный ревербератор. Из магнитных ревербераторов в нашей стране известны широ- ко применявшиеся ранее устройства МЭЗ-45 и МЭЗ-78. Такие ревербераторы представляют 185
Рис. 7.21. Схема магнитного ревербератора (а) и форма сигнала на его выходе (б) собой магнитофон со склеенной в кольцо маг- нитной лентой (или с магнитным барабаном) и с несколькими воспроизводящими головка- ми. Схема магнитного ревербератора приведе- на на рис. 7.21, а. Входной сигнал через уси- литель записи подается на головку записи ГЗ и записывается на магнитную ленту. При дви- жении леиты этот сигнал поочередно считы- вается головками воспроизведения ГВ^ ГВ2, .., ГВП, считанные сигналы через усилители и регуляторы уровня подаются на шину Ш (сумматор) и затем через выходной усили- тель суммарный прореверберированный сиг- нал поступает на выход. Как видно из рис. 7.21,6, форма выходного сигнала имеет дискретный характер. Чтобы дискретность бы- ла меиее заметной на слух, сигналы с выхода шины (или с некоторых головок воспроизве- дения) вновь подводятся к головке записи и затем повторно воспроизводятся. И все же этот недостаток остается характерным для маг- нитных ревербераторов — на некоторых за- писях реверберационный процесс носит замет- ную на слух тональность. Время реверберации магнитного ревербера- тора Т Зт/( —lg^), где т = /'о — задержка, q — модуль коэффи- циента обратной связи по амплитуде; /—длина ленты между головками; v — скорость дви- жения ленты. Листовой ревербератор. Представляет со- бой тонкий стальной лист (толщиной 0,4 .. ... 0,5 мм), в котором для получения ревербе- рации используют изгибные колебания. Раз- меры первых листовых ревербераторов, на- пример ЕМТ-140, достигали примерно 1x2 м (рис. 7.22, а). Лист подвешен четырьмя углами на амортизированной раме. Колебания воз- буждаются посредством возбудителя-вибрато- ра, представляющего собой электродинамиче- ский преобразователь с коническим острием. приваренным к листу. В качестве виброснима- теля применяется пьезоэлектрический датчик из титаната бария. Этот датчик помимо прямой (бегущей) волны изгиба снимает серию зату- хающих волн, отраженных от границ листа. В отличие от магнитного ревербератора, действие которого может быть смоделировано одномерной системой (трубой) с системой сме- щенных вдоль оси микрофонов, листовой ре- вербератор моделирует колебания в двухмер- ном плане (в плоскости). Следовательно, лис- товой ревербератор более приближает карти- ну затухания к естественной, характеризую- щейся трехмерными акустическими колебания- ми в помещениях. Изменение времени реверберации произ- водится механическими средствами. Прибли- жение стального листа к панели из микропо- ристого звукопоглотителя вызывает увеличе- ние затухания колебаний листа и, следова- тельно, уменьшает время реверберации. Та- ким образом, в зависимости от расстояния между листом и материалом изменяется зату- хание, вносимое в колебания листа. Время реверберации меняется от 0,6 до 6 с в области средних частот. При большом расстоянии ли- ста от поглотителя время реверберации увели- чивается на низких частотах до 16 с, в то же время на высоких частотах оно доходит до 2 с. Если на средних частотах оно равно 4 с, то на низких 5 с, а иа высоких — 2 с. Эта зависи- мость от частоты является недостатком листо- вого ревербератора. Зависимости времени ре- верберации от частоты при различном расстоя- нии между листом и панелью приведены на рис. 7.22, б. Время реверберации листового ревербера- тора Т 6,9'6 13.8М'/-, где 6 = 0,5 г!Л1 — показатель затухания; М — масса единицы поверхности листа; г — актив- ная составляющая сопротивления излучения листа. 186
В настоящее время у нас находят примене- ние листовые . ревербераторы 20А-117, ЕМТ-140, ЕМТ-240 и некоторые другие (рис. 7.22, в, г). Пружинный ревербератор. По принципу действия он наиболее близок к листовому, но в нем задержка затухания колебательного процесса достигается за счет металлической пружины, к одному из концов которой при- крепляется излучатель, а к другому — при- емник колебаний. В радиодомах находят при- менение пружинные ревербераторы ВХ-15 и ВХ-20 фирмы AKG (Австрия), а также отече- ственный пружинный ревербератор МЭЗ-2ОЗ. Ревербератор ВХ-20 (рис. 7 23, а) — это первый запатентованный фирмой AKG пру- жинный ревербератор, время реверберации ко- торого может плавно изменяться от 2 до 4,5 с. Ревербератор ВХ-15 (рис. 7 23, б) —это переносной двухканальиый ревербератор. В его состав входят фильтры НЧ и ВЧ. Ре- вербератор чаще всего используют в передвиж- ных звуковых станциях. Габаритные размеры 430 ' 300 : 490 мм, потребляемая мощность 12 В-А Ревербератор ВХ-25 Е, внешний вид и структурная схема которого соответственно приведены на рис 7.23, в, г, — это двухканаль- иый ревербератор с раздельным регулирова- нием каналов. Его можно использовать для внестудийного радиовещания без повторной настройки. Ревербератор имеет встроенный ограничитель для защиты от перегрузки и позволяет регулировать входной н выходной уровни. С помощью переключателя можно осу- ществить монопередачу по обоим каналам. С помощью цифрового модуля М250 ревербера- тор ВХ-25-Е легко преобразовывают в ревер- бератор BX-25-ED. Цифровой модуль М250— это электронная секция, которая позволя- ет вводить предварительную задержку вре- мени и два эхосигнала в каждый канал Мо- дуль имеет регулятор времени реверберации и хорошо имитирует помещение Ревербератор BX-25-ED имеет ступенча- тые регуляторы уровня эхосигналов, ступеня- ми по 2 дБ можно уменьшить уровень до 20 дБ относительно первоначального значения, а также задержку сигнала переключателем 0, 30 и 60 мс для двух дискретных отражений для каждого канала. Время реверберации в ВХ-25-Е регулиру- ется от 1,5 до 3,5 с для каждого канала отдель- но. Номинальный входной уровень также ре- гулируется и может принимать значения:—22; —6; 0, 6; 12 дБн. Номинальный выходной уровень регулируется от — 6 до 12 дБн, обеспечивается подавление регенерации до 120 дБ. Отношение сигнал-шум больше 76 дБ, диапазон рабочих частот в одном положении переключателя 50 ... 4000 Гц, в другом — 50 ... 8000 Гц. Это устройство сравнитель- но малогабаритное (450 х 520 X 540 мм) и лег- кое — 30 кг. Цифровые ревербераторы. Они являются наиболее перспективными в настоящее время. Современные достижения микросхемотехники и микропроцессорной техники позволяют соз- давать высококачественные цифровые ревер- бераторы с большими технологическими воз- можностями при сравнительно небольших раз- мерах. Принцип действия цифровых реверберато- ров заключается в том, что исходный аналого- вый сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) преобразуется в циф- Вибробозбудитель „ о Виброснинатель панель J Рис. 7.22. Листовые ревербераторы- а — ЕМТ 140, б — его частотная ха- рактеристика; в — 20А-117; г — ЕМТ 240 187
Рис. 7.23. Пружинные ревербераторы: а — ВХ-20; б—ВХ-15; в и г—ВХ-25Е ровую форму, цифровой сигнал проходит со- ответствующую временную обработку (осу- ществить задержку импульсов во времени гораздо проще, чем осуществить это без иска- жений с аналоговым сигналом), проревербери- рованный сигнал с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) преобразуется вновь в аналоговую форму, н этот сигнал через соот- ветствующий усилитель поступает на выход для подмешивания к основному сигналу. В качестве примера на рис. 7.24, а приведе- на структурная схема цифрового ревербера- тора ЕМТ-250. Чтобы уменьшить дискретность реверберационного сигнала, генератор такто- вых импульсов (ГТИ) делается со случайной выборкой. Фильтры низких частот (ФНЧ) слу- жат для ограничения полосы пропускания. Как видно из структурной схемы, ревербера- тор ЕМТ-250 имеет четыре выхода, обеспечи- вающих различную задержку сигналов. Этот ревербератор имеет следующие режимы работы: реверберация, задержка, эхо, космос, хор, стереофазирование. Внешний вид ЕМТ-250 показан на рис. 7.24, б. Еще большими технологическими возмож- ностями обладает цифровой ревербератор ЕМТ-251. В режиме «реверберация» он обеспе- чивает время реверберации Т = 0,4 ... 4,5 с на частоте 1 кГц, причем его можно изменять ступенями (предусмотрено 16 ступеней). Мож- но имитировать задержку «отдельного отраже- ния». Число «отдельных отражений» может выбираться от одного до трех. Интервал вре- мени между этими тремя отражениями выби- рается от 40 до 120 мс. В режиме «задержка» можно получить сле- дующие задержки сигнала на выходах: / — до 4 мс; 2 — до 16 мс; 3 — до 80 мс; 4— до 440 мс. В режиме «хор» обеспечивается увели- чение числа слышимых источников звучания и вместо звучания солиста создается иллюзия хорового пения. В режиме «Космос-1» и «Космос-2» обеспечивается большое время ре- верберации — до 15 с. В режиме «эхо» созда- ются повторяющиеся отражения, расположен- ные в интервале времени до 440 мс, с затуха- нием за это время от 0 дБ до 60 дБ. В ревербераторе ЕМТ-251 используются 16-разрядные АЦП и ЦАП с частотой строби- рования [с — 34 кГц. Скорость обработки сиг- налов микропроцессором составляет 40 нс. Объем памяти: «ROM» (ПЗУ) — 32 кбит; RAM (ОЗУ) — 256 кбит. Ревербератор имеет следующие параметры. Номинальный входной и выходной уровни 6 дБн (можно изменять от —10 до +15 дБн). 188
Имеется резерв по перегрузке на 6 дБ, т. е. максимальный выходной уровень составляет • 21 дБн. Входное сопротивление 5 кОм, вы- ходное — 60 Ом. Вход н выход симметричные. Диапазон звуковых частот 30 ... 14800 Гц с неравномерностью + 1 ... — 3 дБ. Коэффи- циент гармоник на частоте 1 кГц при номиналь- ном выходном уровне не превышает 0.5 %. Уровень интегральной помехи по отноше нию к номинальному уровню не превышает —70 дБ в режиме реверберации при Г = 2 с Предусмотрено дистанционное управление Потребляемая мощность 200 В А, масса 45 кг. На рис. 7.24, в приведен внешний вид циф- ровой линии задержки ЕМТ-440. Она обеспе- чивает задержку до 30, 60, 90 или 120 мс с возможностью изменения через 7,5 мс. Часто- та дискретизации 30 кГц, кодирование квази- 12-разрядное. Линия задержки имеет симмет- ричные входы и выходы Номинальные вход- ной и выходной уровни составляют -4 6 дБи Входное сопротивление не менее 10 кОм, вы- ходное — не более 60 Ом. Диапазон звуковых частот составляет 40 ... 12 000 Гц с неравно- мерностью не более 3 дБ. Коэффициент гар- моник в диапазоне 100 .. 5000 Гц не более 0,3 % при измерении на уровнях от номиналь- ного до —20 дБ и не более 1 % при измерении на уровне —40 дБ по отношению к /Vном. Уровень интегральной помехи не более 70 дБ. Амбиофонические системы. Эти системы ис- пользуют акустическую обратную связь в ре- 1енеративном режиме в том же помещении, от- куда ведется передача, поэтому ее действие ощущают исами исполнители. На рис. 7.25 по- казана схема амбиофонической системы. Кроме основных микрофонов, в студии устанавлива- ют не менее двух дополнительных микрофонов, удаленных от исполнителей. Сигнал от них подается в раздельные каналы звуковоспроиз- ведения с громкоговорителями, находящимися в той же студни в различных ее точках, иногда вводят в каналы временные задержки. Гром- Провраммный накопитель накопитель задержки а Рис. 7.24 Схема (а) и внешний вид (б) цифро- вого ревербератора ЕМТ-250; цифровая ли- ния задержки ЕМТ-440 («) 18')
Рис. 7.25. Схема амбиофоннческой системы , РдиФ рофона: ------ Pi 16лп (1 —аср) --------------— отно- otcp шение звукового давления диффузной состав- ляющей, создаваемой амбиофоннческой систе- мой из п громкоговорителей, к звуковому дав- лению, развиваемому одним громкоговорите- лем на расстоянии 1 м от его центра, аср — средний коэффициент поглощения помещения ограничивающих поверхностей; S — их пло- щадь. Пример. Определим критическое значение усиления усилителя для следующих данных: чувствительность микрофона 1,26-10~2 В/Н; чувствительность громкоговорителя 0,126 Н/В; число громкоговорителей 10; аср = 0,2, S = 700 м2; коэффициент концентрации громкого- ворителей £2Г = 4 Подставляя эти данные в формулы, получаем критическую величину усиления усилителя: Кус 1,26-10-’ 0,126 коговорители имитируют отраженные лучи, которые воспринимаются дополнительными микрофонами и вновь подаются на громкого- ворители. Многократное повторение отзвуков создает увеличение времени реверберации по отношению к собственному времени ревербера- ции студии. Если студия была сильно заглу- шена, то с помощью амбиофоннческой системы время реверберации увеличивается до 5 .. 7 с Правда, получение большего времени ревер- берации может приводить к неустойчивому ре- жиму и даже к генерации, поэтому время ре- верберации более 3 с не увеличивают, но этого и не требуется даже для создания эффекта гул- кого помещения, в котором воспроизводится музыка (например, органные залы). В амбиофоническом оборудовании очень жесткие требования предъявляют к равномер- ности частотной характеристики. Даже такая неравномерность, как 6 дБ, в передаваемом частотном диапазоне не позволяет получить время реверберации, заметно отличающееся от времени реверберации самого помещения. Конденсаторные микрофоны удовлетворяют этим требованиям, тогда как даже лучшие се- рийные громкоговорители не удовлетворяют им. Необходимо применять специально изго- товленные громкоговорители. Амбиофонический тракт возбуждается от диффузной составляющей звукового поля. Ге- нерация наступает, когда усиление по всей пет- ле амбиофоннческой системы равно единице, т. е. когда усиление усилителя достигает кри- тического значения: д. _ Uгр I J Pi '-'м м ^1 р Рдиф Здесь £м — чувствительность микрофона, В'Н; £гр — чувствительность громкоговори- теля, Н В; (/гр — напряжение на входе гром- коговорителя; (7М—напряжение на выходе мик- /ЩиФ / 16л-10(1 0,2) Л _5 р, |/ 0,2-700-4 |/ 7 Чтобы устройство не стало генерировать, необходимо уменьшить его усиление не менее чем в 1,4 раза, т. е. на 3 дБ. Время ревербера- ции, получаемой при использовании амбнофо нической системы, зависит от отношения вели- чин рабочего усиления к критическому: 7’Имб= = Т|1СН/(! - Р2). где Р = Краб/Ккр Пример. Найти время реверберации при работе амбиофоннческой системы, если основ- ное время реверберации равно 1 с, для следую- щих соотношений величин усиления: р = = 0,7; 0,5 и 0,63 (т. е. на 3, 6 и 4 дБ меньше критического). Для первого случая 7'ам6 = 1/(1 — 0,72) = = 2 с; для второго — Тамб ~ 1Д* — 0,5а)= = 1,33 с; для третьего — 7'амо-= 1/(1—0,632) = = 1,67 с. Таким образом, если для максимума чув- ствительности громкоговорителя время ре- верберации равно 2 с, то при снижении чувст- вительности на 3 дБ время реверберации уменьшится до 1,33 м, а при снижении на 1 дБ — до 1,67 с. Поэтому неравномерность частотной характеристики, равная 6 дБ, при- водит к неравномерности частотной зависимо- сти времени реверберации в 2/1,33 1,5 раза, что больше допустимой нормы А при нерав- номерности частотной характеристики, рав- ной 4 дБ, это соотношение будет равно 2/1.67= = 1,2 раза, т. е. в пределах нормы. Для уменьшения возможности возникновения ге- нерации применяют раздельные амбиофони- ческие устройства для разных участков частот- ного диапазона. Устройство получается слож- ным. Иногда для уменьшения числа громкого- ворителей применяют комбинацию акустиче- ской системы с магнитным ревербератором (с подачей обратной связи через помещение) 190
Диалогичные системы применяют для ре- гулирования времени реверберации в залах. В СССР (подобная универсальная амбиофоии- ческая система применена в Кремлевском Дворце съездов. Комнаты прослушивания и аппаратные оборудуют как высококачественными гром- коговорящими агрегатами, так и нормальной аппаратурой звукозаписи. Комнаты прослу- шивания вещательных передач по акустике должны соответствовать среднему жилому по- мещению (S = 50 . 100 м2; Т = 0,8 ... 1 с). РАЗДЕЛ 8 ОЗВУЧЕНИЕ И ЗВУКОУСИЛЕНИЕ 8.1. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ СИСТЕМ ОЗВУЧЕНИЯ Озвучение — громкоговорящее воспроиз- ведение акустических сигналов (вещаиия, звукозаписи, различной информации, в том числе сигналов гражданской обороны и др.) в заданных местах расположения слушателей в помещении или на открытом воздухе. Максимальный и минимальный уровни по- ля — максимальная и минимальная величины уровня прямого звука (т. е. без учета интенсив- ности отраженного звука), создаваемые систе- мой озвучения на озвучиваемой поверхности при подведении номинальной мощности к гром- коговорителям, входящим в систему озвуче ния. Озвучиваемой поверхностью называют поверхность, проходящую на уровне голов слу- шателещ Для сидящих слушателей считают, что эта поверхность находится на высоте 1 м от пола, а для стоящих — иа 1,5 м от поверхности, иа которой стоят слушатели. Величины этих уровней зависят от назначения системы озвучения. В табл. 8.1 приведены ре- комендуемые расчетные величины минималь- ных уровней поля для музыкальных передач и ориентировочные величины этих уровней для речевых передач в условиях невысоких уров- ней акустических шумов (ие выше 50 дБ). Неравномерность озвучения — разность между максимальной и минимальной величина- ми уровня поля в пределах озвучиваемой по- верхности AL = Z-max — Z-mln- В табл 8 1 приведены предельные значения этой неравно- мерности (с учетом интерференционной нерав- номерности). Неравномерность частотной характерис- тики системы озвучения в основном опреде- ляется неравномерность частотной характе- ристики электроакустической аппаратуры и частично затуханием в воздухе (при распро- странении звука на большие расстояния) 1 Акустические шумы — шумы в пределах озвучиваемой поверхности, создаваемые пуб- ликой, различными агрегатами и т.п., и шу- мы, приходящие извне, например от транспор- та. Обычно уровни и спектры этих шумов или бывают заранее заданы, или должны быть из- 1 Подробнее см. гл. 10. мерены в реальных условиях Стремятся к их уменьшению, но в ряде случаев оии неизбеж- ны. На рис. 8.1 приведены типовые акустиче- ские шумы для помещений и открытых прост- ранств. Большинство из них имеет преоблада- ние на низких частотах, но некоторые шумы, как, например, шумы в колоннах демонстран- тов, имеют значительное преобладание в диа- пазоне частот свыше 1000 Гц Влияние шумов учитывают только при расчете понятности ре- чи. Слитность звучания —- отсутствие замет- ного или мешающего эха. Для музыкальных передач не должно быть заметного эха, т. е. следует стремиться к тому, чтобы разность уровней, запаздывающих и основных сигна- лов была ниже значений, приведенных иа кри- вой 2 рис. 2.21. Для речевых передач эхо не должно снижать понятность речи, поэтому эта разность должна быть ниже значений, приве- денных на кривой 3 рис. 2.21. По расположению громкоговорителей сис- темы озвучения делятся иа сосредоточенные (централизованные), зональные (децентрали- зованные) и распределенные К сосредоточенным системам относятся сис- темы, имеющие размеры (расстояние между крайними громкоговорителями) в несколько раз меиьшие расстояния от них до ближайших слушателей При этом если расстояние между Таблица 8.1. Уровни поля и неравномерность озвучения Назначение установки Мини- мальный уровень поля, дБ Макси- мальная неравно- мерность озвуче- ния. дБ Воспроизведение музыки и театральных эффектов 100 6 Воспроизведение музы- кальных программ 94. .96 6 Воспроизведение специ- альных программ (тан цы, гимнастика и т. п.) 94.. .96 8 Усиление речи (для низ- ких уровней шумов) 80 .86 8 191
Рис. 8.1. Частотные зависи- мости спектрального уров- ня акустических шумов: 1 — шумы на стадионе во вре- мя футбольного матча; 2 — тракторные шумы без глуши- теля; 3 — транспортные шумы; 4 — шумы на демонстрации: 5 — разговорные шумы; 6 — ре- чевые шумы на открытом воз- духе соседними громкоговорителями больше наибо- лее длинной звуковой волны в передаваемом диапазоне частот, то в каждой точке звукового поля складываются интенсивности звука или квадраты звуковых давлений, создаваемые 2 2 каждым громкоговорителем: рх = pi + Рг + При близком расположении оди- наковых громкоговорителей друг к другу (почти вплотную) складываются звуковые дав- ления: р% = Pi + р2 + К зональным системам относятся системы озвучения, представляющие собой сосредото- ченные системы, каждая из которых обслужи- вает в основном свою зону озвучения. Эти зо- ны, как правило, стыкуют между собой. На стыках зон складываются интенсивности от ближайших громкоговорителей. На линиях стыка, если громкоговорители создают одина- ковые интенсивности, уровень увеличивается иа 3 дБ, в углах зои — на 6 дБ (см. § 8.4). К распределенным системам относятся си- стемы озвучения, в которых громкоговорите- ли распределены по всему озвучиваемому про- странству или помещению и для которых уров- ни поля в каждой точке поля определяются суммарным действием всех или большинства громкоговорителей, входящих в систему. В достижении малых неравномерностей озвучения большую роль играет направлен- ность громкоговорителей. Для звукофикации громкоговорители по направленности делят на четыре типа: ненаправленные, звуковые колонки, рупорные и радиальные громкогово- рители. К ненаправленным относят диффузор- ные громкоговорители небольших размеров. Их применяют для звукофикации небольших по размерам объектов. Для этого используют маломощные громкоговорители. Звуковые ко- лонки мощностью 0,5 .. 100 Вт и более за ред- ким исключением (звукофикации удаленных зон) ставятся на узкую базу, и поэтдму их на- правленность в вертикальной плоскости зна- чительно больше, чем в горизонтальной. Ха- рактеристика направленности их многолепест- ковая, но для упрощения расчетов она заменя- ется огибающей этих лепестков и потому име- ет вид полуэллипсоида в передней полусфере и сферической — в задней, звуковое давление на 180° составляет примерно 20 % от звукового давления на оси (О'). Диаграмма направленно- сти в передней полусфере аппроксимируется полуэллипсами в вертикальной и горизонталь- ной плоскостях, проходящих через ось колон- ки, а центры эллипсов располагаются в ра- бочем центре колонки. Как и принято, эти эллипсы характеризуются эксцентриситетами ев и ег соответственно в вертикальной и гори- зонтальной плоскости. Величины эксцентриси- тетов зависят от частоты (т. е длины волны) и соответствующих размеров колонки. В пер- вом приближении С учетом влияния ряда факторов более точная эмпирическая формула имеет вид Здесь с = 340 м/с; d — соответствующий раз- мер колонки (высота или ширина), м, [—час тота, Гц При расчетах уровней звукового поля час- то пользуются усредненным значением экс- центриситетов (точнее, взвешенным их значе- нием для шумового спектра речевого типа) В табл. 8.2 приведены усредненные значения эксцентриситетов для ряда звуковых колонок и там же даны их размеры Усредненное зна- чение эксцентриситета для вертикальной пло- 192
скости приближенно определяется по эмпири- ческой формуле ев О — (0,14 d 0,08)2)|/2 (где d — в метрах). В горизонтальной плоскости из-за влияния размера по глубине колонки эта формула вер- иг, только для широких колонок. Взвешенное значение эксцентриситета соответствует часто- те около 500 Гц, поэтому значения, приведен ные в табл 8.2, могут быть пересчитаны на другие частоты по вышеприведенной формуле. Таблица 8.2. Усредненные значения эксцентриситетов громкоговорителей Тип Габаритные размеры, мм ег ев и) звуковые колонки 2КЗ-6 394X132X94 0,5 0.900 2КЗ-5 680X120X73 0,5 0,958 8КЗ-4 423X188X124 0.65 0,902 10КЗ-2 775X365X255 0,90 0,965 25КЗ 2 960X415X320 0.90 0,970 50КЗ-2 1160X580X383 0.90 0,980 100КЗ-2 1310X610X460 0.90 0,982 15КЗ-4 725X274X100 0,87 0,962 15КЗ-6 651X301X179 0,89 0,955 25КЗ-6 1320X307X260 0 90 0,983 25КЗ-12 730X280X210 0,87 0,962 50КЗ-5 1280X340X230 0.91 0,982 50КЗ-ЗМ 1480X394X294 0,91 0,985 100K3-13 1280X340X280 0,91 0,982 б) рупорные громкоговорители Круглые 0 500 0.77 0,77 Сдвоенные 1150X500 0,77 0.95 Если колонку ставят одну на другую или несколько колонок друг на друга, то в первом приближении результирующий эксцентриси- тет определяется из формулы св (л5—Н г?)’/2/л, где л — число колонок, et — эксцентриси- тет одиночной колонки. Иногда колонки ста- вят друг подле друга, тогда результирующий эксцентриситет в горизонтальной плоскости будет определяться по аналогичной формуле. Пример. Высота колонки 1 м. Определить усредненное значение эксцентриситета. Имеем ен (I (0,14/1+0,08)2)|/2 =0,975. Для такой колонки эксцентриситет в верти- кальной плоскости на различных частотах будет иметь следующие значения: /. Гц 125 ев <1 500 230 >00 0.890 0,974 1000 2000 4000 0.993 0.998 0 9996 Как видим, усредненное значение Экс- центриситета и его значение для частоты 500 Гц почти одинаковы Пример. Три колонки 8КЗ-4 поставлены друг на друга, определить результирующий эксцентриситет (8 , 0,9022)1/2/3=-0,99, а для равноценной ей по высоте колонке 100КЗ- 13 имеем ев = 0,982. Сдвоенная колонка 8КЗ-4 имеет ев (3 т 0.9022)1 2 2 = 0,976, а равноценная ей по высоте колонка 25К.З-2 имеет ев = 0,97. В некоторых руководствах указывается, что эллиптическая аппроксимация характерис- тики направленности для звуковых колонок справедлива только для углов не более 70 (по отношению к оси излучателя), на самом деле она справедлива до углов 90 Рупорные громкоговорители имеют пас- портную мощность 10 ... 100 Вт н более (мощные громкоговорители используются для специальных целей: оповещение, озвучение удаленных и дальних зон до 10 км). Большин- ство рупорных громкоговорителей, используе- мых для звукофикации, имеют круглое выход- ное отверстие, но при комбинации двух и более рупорных громкоговорителей, устанавчивае- мых друг на друга, получается рупорный гром- коговоритель, эквивалентный рупорному гром- коговорителю с прямоугольным выходным от- верстием. Применяемые рупорные громкого- ворители с ячеистым рупором имеют широкую диаграмму иаправлеииости в вертикальной и горизонтальной плоскостях и для них расчеты звукового поля ведутся как для ненаправ- ленных громкоговорителей (ев = ет х 0). Характеристика направленности рупорно- го громкоговорителя аппроксимируется эл- липсоидом, вершина которого находится в ра- бочем центре излучателя, т. е. примерно в центре выходного отверстия рупора. Для круг- лых рупоров характеристика направленности имеет вид эллипсоида вращения. Диаграммы направленности имеют вид эллипсов. Эксцент- риситеты этих эллипсов, как и для звуковых колонок, для вертикальной н горизонтальной плоскостей, проходящих через ось рупора, обо- значаются как св и ег Они зависят от частоты и размеров отверстия рупора. Для расчетов уровней звукового поля обыч но пользуются усредненными значениями этих эксцентриситетов в рабочем диапазоне частот (250 ... 4000 Гц). Простых приближенных фор- мул для расчета частотных зависимостей ха- рактеристик направленности рупорных гром- коговорителей пока нет, и поэтому расчеты проводят только для усредненных значений эксцентриситетов. Но следует указать на то, что иа низких частотах рупорные громкогово рители излучают довольно значительную мощ- ность и назад (в тыльную полусферу). Для на- иболее часто применяемых рупорных громко- говорителей в табл 8 2 приведены, усреднен- ные значения эксцентриситетов. Как показано в таблице, эксцентриситеты имеют два значе 7 Зак. 1688 193
ния 0,77 (круглый рупор или узкая база сдво- енного рупорного громкоговорителя) и 0.95 (широкая база рупора). Радиальные громкоговорители, выпускае- мые для звукофикации пространственных зо- нальных систем, имеют характеристику на- правленности в форме шляпки гриба: круго- вая диаграмма направленности в горизонталь- ной плоскости и сплющенная в вертикальной плоскости, причем излучение вверх очень ма- ло, а вниз — на 6 дБ меньше чем под углом 70 к вертикальной оси. Более подходящей ап- проксимации пока нет. 8.2. ОСОБЕННОСТИ ОЗВУЧЕНИЯ ОТКРЫТЫХ ПРОСТРАНСТВ К открытым пространствам относят: ули- цы и площади, спортивные площадки и ста- дионы, открытые перроны и сортировочные станции, зеленые театры и летние эстрады, парки и зоны гуляния и отдыха, открытые выставки и площадки показа и рекламы и т. п. Кроме того, к открытым пространствам относятся зоны оповещения и информации иа открытом воздухе, например для целей гражданской обороны. Спецификой открытых пространств явля- ются нх зависимость от климатических факто- ров и атмосферных условий и необходимость учета затухания в воздухе, так как протяжен- ность озвучиваемых зон доходит до несколь- ких сотен метров и даже километров. На рис. 8.2 приведены зависимости затухания звуковых волн в воздухе из-за вязкости среды от величины относительной влажности для раз- ных частот колебаний. Из этих данных следует, что высокие частоты (свыше 1000 Гц) затухают очень быстро, особенно при относительной влажности воздуха около 15 %: на частоте 10 кГц затухание достигает 28 дБ на каждые 100 м. При нормальной влажности (около 50 %) затухание получается вдвое меньше. Для больших расстояний (более 100 м) следует пользоваться кривыми рнс. 1.16. Кроме того, затухание из-за ветра, дождя и снега может достигать 8 ...10 дБ на каждые 100 м. Ветер и неравномерный нагрев поверхности земли во- обще могут нарушить передачу, так как зву- ковые лучи из-за искривления траектории мо- Рис 8 2. Зависимость коэффициента затуха- ния звука в воздухе от влажности и частоты гут уходить вверх или круто вниз (см. также § 1 12). К специфике открытых пространств можно также отнести и более высокий уровень аку- стических шумов, например, от транспорта и различных машин. Применительно к открытым пространствам введен дополнительный показатель системы озвучения — локализации звукового поля — уменьшение уровней поля при удалении от зоны озвучения. Стремятся снизить уровень поля за пределами озвучиваемой зоны так, что- бы в зоне других объектов с людьми этот уровень не был выше определенных санитар- ных норм при условии подведения номиналь- ной мощности к системе озвучения. В открытом пространстве возможно появле- ние эха или от действия источников звука, от- стоящих друг от друга не менее 17 ... 18 м, или вследствие отражения звуковых волн от различных предметов (больших размеров по сравнению с длиной волны), находящихся в этом пространстве и отстоящих от источника звука не менее чем иа 8,5 ... 9 м. Второй слу- чай, по существу, мало чем отличается от пер- вого, так как при отражении звуковых волн (от какой-нибудь преграды на ее пути) появля- ется мнимый источник звука, представляющий собой зеркальное отражение истинного источ- ника звука в этой преграде. Мощность мнимого источника звука меньше мощности истинного источника ва()Тр раз, гдеа()тр — коэффициент отражения звуковых волн от поверхности пре- грады. Так как коэффициенты отражения в ре- альных случаях мало отличаются от единицы, то можно считать, что мнимые источники звука имеют одинаковую мощность с основным. По- этому оба случая возникновения эха можно объединить в один: два или несколько источни- ков звука, разнесенных по расстоянию друг от друга. Как указывалось ранее, возникно- вение слышимого эха определяет две величины: разность расстояний от точки наблюдения до источников звука н разность уровней, создава- емых ими в этой точке (см. рис. 2.21). Чаще всего встречаются два варианта расположения источников звука: или их оси направлены в одну сторону, или встречно. В обоих случаях координатные оси х, у и г привязывают к од- ному из громкоговорителей (центр координат помещают на земле под одним из громкогово- рителей, ось х — по проекции оси излучателя на горизонтальную плоскость, ось г — верти- кально через центр излучателя, ось у — пер- пендикулярно им). Тогда для работающих громкоговорителей в одном направлении коор- динаты звукового поля для второго громкого- ворителя будут отличаться только координа- той у, определяемой расстоянием между гром- коговорителями d, а при встречной работе различие будет только в координате х: она будет отличаться на расстояние между гром- коговорителями b (т. е. х2 = й — х). Соответственно этому в первом случае раз- ность хода (г2 4- ?/2 -> й2)1/2- (г* +-й2)1 /2. 194
где h — высота подвеса центра излучателя над землей (h =- zr); во втором случае dp= (х* . - д)М h2)‘/2- Если речь идет об отраженном сигнале, то вместо Ь надо подставлять 2 Ь отр. где fco.rp— расстояние от излучателя до преграды по перпендикуляру к ней от излучателя Пример. Громкоговорители подвешены на высоте 5 м, расстояние между ними 25 м, оси громкоговорителей направлены по оси улицы (оси х). В точках xt = 5 м и х2 30 м разность хода равна приблизительно 30—7= 23 м. Возможно появление слышимого эха, если бы уровни от обоих источников звука были оди- наковы, ио на самом деле разность уровней будет 20 1g (30 7) = 12,6 дБ, и поэтому эхо не слышно (см кривую 1 на рис. 2.21). Два громкоговорителя работают встречно на расстоянии 40 м друг от друга. Разность хода звуковых волн до точки, находящейся под одним из громкоговорителей Лгр = 35,1 м (за- паздывание 97 мс) Чтобы эхо не было слышно, надо иметь разность уровней не менее (см. кривую / на рис. 2.21) 20 дБ, а чтобы эхо не снижало разборчивости речи достаточно пере- пада уровней 2 дБ (см. кривую 3 на рис. 2.21) Как показывают расчеты уровней, первое ус- ловие трудно выполнимо, а второе — легко. Более точные расчеты даны в дальнейшем при расчетах звукового поля Для удобства опре деления допустимой разности уровней речевого сигнала при условии неснижения разборчиво- сти речи в зависимости от разности хода зву- ковых волн от двух источников звука на рис. 8 3 приведена такая зависимость Для озвучения открытых пространств при- меняют сосредоточенные и зональные системы. Распределенные системы в них применяются в редких случаях, когда требуется озвучить небольшую площадку с достаточно высоким качеством звучания или площадь, на которой можно ставить громкоговорители только по ее краям 8.3. СОСРЕДОТОЧЕННЫЕ СИСТЕМЫ ОЗВУЧЕНИЯ Для создания сосредоточенных систем оз- вучения используют в основном рупорные громкоговорители и звуковые колонки, гораз- до реже — радиальные громкоговорители и очень редко (только для небольших объектов) - диффузорные громкоговорители. РУПОРНЫЕ ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ Если длина озвучиваемой поверхности не- велика (до 25 м), то чаще применяют рупорные громкоговорители с круглым рупором. Для более длинных узких объектов (например, улиц) целесообразнее применять рупорные громкоговорители с прямоугольным выходным отверстием рупора, устанавливая рупор на короткую базу. Если установить три или четы- Рис. 8.3. Зависимость допустимой разности уровней прямого и отраженного звуков (для речевой передачи) от разности их хода при условии несннжеиия разборчивости речи ре рупорных громкоговорителя один над дру- гим, то можно еще более увеличить направлен- ность и дальность действия системы ’. Для оз- вучения широкой площади громкоговорители располагают или в одной точке веером, или по ширине площади на небольших расстояниях друг от друга. Заметим, что это только ориен- тировочные рекомендации, точные данные мож- но получить в результате расчета системы Как указывалось, характеристика направ- ленности рупорного громкоговорителя пред- ставляется в форме эллипсоида, вершина кото- рого находится в рабочем центре излучателя, т. е. в центре выходного отверстия рупора (рис. 8.4). Ось рупора обычно направляют в 1 Но при этом получится значительная зависимость направленности озвучения от частоты н, как следствие, значительное уве- личение неравномерности озвучения на высо- ких, а иногда и на средних частотах. Рис. 8.4. Расположение рупорного громкого- ворителя при озвучении плоской поверхности (на инжней проекции показан эллипс, огра- ничивающий обслуживаемую зону на озвучи- ваемой поверхности) 7* 195
удаленную точку озвучиваемой поверхности. Если озвучиваемая поверхность плоская и го- ризонтальная, то угол наклона оси рупора по отношению к горизонтали определится из ра- венства tg а„ = /гг.с/х„, где Лг.с — ггр — г„— высота подвеса громкоговорителя над озвучн ваемой плоскостью; z„ — высота озвучиваемой плоскости; ггр — высота подвеса громкогово- рителя над наземной поверхностью; a (xjj т + /ir.c)1/2 — расстояние удаленной точки озвучиваемой плоскости от громкоговорителя, хе — проекция линии а на горизонтальную ось. При таком расположении громкоговорите- ля диаграмма направленности в вертикальной плоскости будет пересекать озвучиваемую плоскость в точках х, и х„, где Лг. с ctg а„ ___________л',, е'* * • + (• — el)ctg2a„ 1-, (1 —с2) х2/Л2 с а линия пересечения эллипсоида с озвучивае- мой поверхностью имеет вид эллипса с осями а' — х0 — х, и Ь' а'у 1 - ₽г cos2a0, где ев и ег — эксцентриситеты эллипсоида, т. е. диаграммы направленности в продольном и по- перечном сечениях рупора Величины эксцент риситетов для ряда громкоговорителей см в табл. 8.2. Звуковое давление па всем периметре эл- липса, ограничивающего зону озвучения, бу- дет одинаковым и равным звуковому давлению в удаленной точке, т. е. в этих точках везде будет уровень Mnin- 20 lg (pniHi 'p„) 201gpniiu 94 (p„ 2-10 ° Па, Pmiti Pi °). где P[ — номинальное звуковое давление, раз- виваемое громкоговорителем на расстоянии 1 м от рабочего центра Пример. Определим уровень поля в уда- ленной точке озвучиваемой поверхности на расстоянии 50 м от центра громкоговорителя на его оси, если для него pi 33,5 Па; р,,,!,, 33,5 50 0,67 Па По вышеприведенной формуле находим искомый уровень £|111п— 90,5 дБ. Внутри эллипса уровень будет выше, чем по его периметру Максимальный уровень £1Пах будет в точке с координатой 1 с t g2 а,, ] УТ (1-е2) cig2 а„ ctg2 а„ Заметим, что эта точка ие лежит на середине между и х0 Разность между уровнем в этой точке и в удаленной равна неравномерности озвучения в пределах эллипса. Если зона оз- вучения совпадает с этим эллипсом, то эта раз- ность будет неравномерностью озвучения на озвучиваемой плоскости AL Е1Пах —hi 201g0,5|l+| 1г (1 - г*) ctg2 %,], определяемой эксцентриситетом в вертикаль- ной плоскости и углом наклона оси громкого- ворителя. Вне эллипса озвучения, в том числе и на участках, лежащих между этим эллипсом и проекцией точки подвеса на горизонтальную плоскость, уровень ниже, чем в удаленной точ- ке, т. е. эта зона необслуживаемая При необ- ходимости ее озвучения применяют дополни- тельные громкоговорители ближнего действия. Чем ниже подвешен громкоговоритель (точнее, чем меньше угол подвеса), тем боль- ше неравномерность озвучения, но меньше не- обслуживаемая зона вблизи громкоговорителя (0 — х,). Пример. Для рассмотренного выше распо- ложения громкоговорителя (а = 50 м) най- дем неравномерность и другие параметры озву- чения, если эксцентриситеты диаграммы на- правленности в вертикальной и горизонталь- ной плоскостях ев --= ег = 0,77, а высота под- веса над озвучиваемой плоскостью Лг.с=8 м. Угол наклона оси громкоговорителя опреде- лится из формулы tga0 = Лг.с,'х„ tg «0=8/ У.502 — 82 0,162, так как x„ —J а- — Л2 с гк 50 м. Следовательно, неравномерность озвучения, М. 20 1g 0,5 11 4- У1 (1 0,772) • 1 /0,1622] -8дБ Точка с максимальным уровнем х„, 50 0,162s < У1 -ф(1— 0,772) • 1 '0,1623 Ближняя к громкоговорителю точка с мини- мальным уровнем 8 0,772-(1/0,162) х, ------------------------ 1.8 м. I 4 (1- 0.772) • 1'0,1622 Расстояние х0 8/0,162 = 49,4 м. Длина эллипса озвучения а' 49.4 — 1,8- 47,6м, ширина ft' 47.6 У1—0.772-(49,4/50)2 =30.9 м В любой точке проекции оси громкоговори- теля па озвучиваемую плоскость уровень L будет отличаться от уровня Lo в точке упо- ра оси громкоговорителя в эту плоскость и со- ставлять: £=£„ — 20 (1 г ХХ„)2 г (Х„—Л)2/(1—е2; (1-4-УХ„) (| + Х§) где X -= Х/'йг.с = ctg a, Хо = xo hr c — ctg «о. ao — угол между осью громкогово- рителя и осью х, a — угол между направле- нием на заданную точку и осью громкоговори- теля. Заметим, что это выражение является 196
общим для всех точек, лежащих на проекции громкоговорителя на ось х, причем в точках, лежащих внутри эллипса озвучивания, этот уровень больше LB, а вне его — меньше. Если точка х будет совпадать с точкой хм, то уровень будет максимальным. Разность LM — Lo бу- дет давать неравномерность озвучения в эл- липсе озвучивания Уровень в точке хг будет равен уровню в точке упора ось, т. е. Li= = Lo. Под громкоговорителем (х — 0) этот уровень будет: Ех.0 = Ео-20 1g » + * 1§/(! ~е2) Пример. Определим снижение уровня для точки под громкоговорителем. (Возьмем дан- ные из предыдущего примера: Хо = 1/0,162=-= = 6,17; ев = 0,77). Л/-х-о = ^-о — /-х-о = = 20 1g 1 4-6,172/( 1 — 0,772 * * * * *) I1-J-6,172 = 7,7дБ, а для точки, лежащей на расстоянии 2х0 от точки х — 0, получим ЛЬх.2х, = 20х (1+2-6,172)24-6,172/(1— 0,772) X -----— 6 дБ . к (1 ' 2-6,17а) (1+6,172) Если обозначить через х3 точку х = 2х0, то соответствующая ей большая ось эллипса озвучения определяется из выражения а3 = х3 е|х0- (х3— х0) (1 + Х§)/(1 +ХЯХО) • + (•— *в) х« а малая ось, как и для основного эллипса озву- чения: ( е*Х1 ^1/2 Пример. Для точки х3 = 2 х0 = 40 м най- дем оси эллипса озвучения. Большая ось Cs = 40— 0,772-20—20 (1+6,17а)/( 1+2-6,17г) ~ 1 +(1—0.772)-6,172 = 39,8 м, малая ось />з = 39,8- 11 0,772-6,172 1+6,172 = 25,9 м. Необходимую высоту подвеса громкогово- рителя иад озвучиваемой плоскостью при за- данной координате удаленной точки и нерав- номерности найдем из формулы Лг.с = х0 |/ (1 -е|)/1(2-10°-05AL- I)2- 11. Пример. Для &L = 8 дБ и / = 50 м Лг.с = 50 У(1 -е2)/[(2. ю0-05-8- I)2- Ц = 12,82 ]Л1—. Если взять громкоговоритель с эксцентрисите- том в вертикальной плоскости ев = 0,77, то высота подвеса Лг.с= 12,82 У 1—0,772 =8,2 м; /1гр = 8,2+1,5 = 9,7м. Если уменьшить высоту подвеса громкого- ворителя с /ц до /12 (рис. 8.5), то увеличится не- равномерность озвучения, но при этом умень- шится необслуживаемая зона с xtl до х112 (см. кривые / и 2). Если уменьшить высоту подвеса, ио одновременно взять громкогово- ритель с большей направленностью в верти- кальной плоскости (см. кривую 3), то можно сохранить размер обслуживаемой зоны и уменьшить неравномерность озвучения Если поставить громкоговорители один над другим, то такой системой можно обслужить вдвое большую длину и ширину площади (т. е. вчет- веро большую площадь), а неравномерность озвучения и высота подвеса при этом будут примерно такими же, как для одного громко- говорителя с ординарными размерами. Пояс- ним это на примере. Пример. Возьмем два одинаковых громко- говорителя из предыдущего примера и поста вим их один иад другим. Так как они имеют об- щее номинальное звуковое давление вдвое больше, чем один, то дальность действия мож ио увеличить вдвое, т. е. х0 = 100. Эксцентри- ситет диаграммы направленности в вертикаль- ной плоскости для сдвоенного громкоговорите- ля вычисляется по следующей формуле ев2 = 1^1 — (1 — ев])/4, где ев1 — экспент- 1 Эксцентриситет эллипса для п громко- говорителей, поставленных друг над другом е2 = У 1(1 -eh)/n2. Рнс. 8.5 Влияния высоты подвеса при одина- ковой направленности рупорного громкоговори- теля (кривые 1 и 2) и влияние направленности при одинаковой высоте подвеса (кривые 2 и 3) на неравномерность озвучения необслуживае- мой зоны 197
Рис. 8.6. Расположение рупорных громкогово- рителей при озвучении сложной поверхности (стадион) риситет для одиночного громкоговорителя. Поэтому для нашего случая ев2 = = "]/1 — (1 — 0,772)/4 = 0,95. Высота подвеса /1— 0,952 ------------------=8 (2.Ю8/20-I)2- 1 Но так как дальность увеличена вдвое, то пло- щадь озвучения увеличилась вчетверо при та- кой же неравномерности озвучения и пример- но той же высоте подвеса. Необслуживаемая зона в этом случае увеличится 100-0,952-82 х. =-------------------- —5,6м. 1 82+(1— 0,952)-1002 Если поверхность озвучения имеет криво- линейную образующую, например в случае оз- вучения больших стадионов (рис. 8.6), то в таком случае ось громкоговорителя также на- правляют в удаленную точку на границе зо- ны озвучения, а неравномерность озвучения определяют методом координат. Для этого центр координат располагают в рабочем центре излучателя (в центре выходного отверстия рупора), ось и совмещают с рабочей осью излучателя, ось w — с продольной осью плоскости излучателя, а ось v — с ее попереч- Рис. 8.7. Преобразование системы координат для расчета звуковых полей ной осью (см. рис. 8.7). В точке с координа- тами и, v и w звуковое давление Pi“ Р =--------------------------. «г2 + о2/(1—е2)4-к>2/(1—е2) где pi — звуковое давление на расстоянии 1 м от центра координат, т. е. от рабочего центра излучателя. В тех случаях, когда есть характеристика направленности громкоговорителя и видно, что она отклоняется от идеализированной (эл- липсоидальной), пользуются следующей фор- мулой: Pi р - —zzzzzz----------:=---------------> ]/u2^v21 Rr(6r±~l/u2+w2/RB (0В)— и где RB (6В) и Rr (0Г) — радиусы-векторы диаграмм направленности в продольной (вер- тикальной) и поперечной (горизонтальной) плоскостях, проходящих через рабочую ось громкоговорителя; 0B = arctg (w/u) и 0r = arctg (v/u). Пример. Заданы координаты точки и = 1 м, v = 2 м и к> = 5 м, рх = 50 Па, а также диа- граммы направленности в продольной и по- перечной плоскостях. Надо найтн звуковое давление в заданной точке. Имеем tg 0Г = = 2/1 = 2; tg 0В = 5/1 = 5, откуда 0Г = 63,4° или 0В = 78,7°. По этим углам из диаграмм направленности находим Rr = 0,2 и RB = = 0,05. Звуковое давление в заданной точке 50 р= —zzzzzz---------- ' -----------= У1 + 22/0,2 + V1 +52/0,05—1 = 0,446 Па, что соответствует уровню L = 20 1g 0,446 г -' 94 = 87 дБ. Если рассчитать для этого громкоговори- теля (для ег — 0,77 и ев = 0,95) по эллипти- ческой характеристике, то получим уровень, равный 80 дБ, т. е. меньший (получился запас в уровне). Для удобства расчетов обычно задают ко- ординаты озвучиваемой поверхности в прямо- угольной системе х, у и г (х— по длине, у — ширине н z — высоте поверхности, рис. 8.7). Для перехода к координатам и, v и w исполь- зуют следующие формулы: n = xcosa-|-(/irp—z)sina; о =//; w = x sin a— (Лгр — г) cos a, где tg a = Лг.с/х0 = (Лгр — Лу.с. х0 — коор- дината точки рабочего центра излучателя (громкоговорителя); Лг.с — высота рабочего центра излучателя над головами удаленного слушателя; /iy.c и х0 = хтах — координаты удаленной точки озвучиваемой поверхности. Пример. Заданы форма и размеры озвучи- ваемой поверхности (см. рис. 8.6). Координаты: 198
выёота подвеса громкоговорителя Лгр = 6 м, высота озвучиваемой поверхности для удален- ного слушателя hy с = гу,с = 15 м и хус= = 50 м, то же самое для ближнего слушателя гб.с = 1,5 м и Хб.с = Ю м и для слушателя, находящегося на середине между громкогово- рителем и удаленным слушателем, гс с — 6 м и хс.с = 25 м. Координату v везде возьмем рав- ной нулю, т. е. расчет будем вести только для одной вертикальной плоскости, проходящей через ось излучателя. Угол между осью гром- коговорителя с горизонталью определится из формулы tga = (6—15)/50 = — 0,18, а = = — 10,2“ (отрицательный угол означает на правление оси вверх от горизонтали). Для это- го угла sin а — — 0,177, cos а = 0,984. Возь- мем громкоговоритель с направленностью в вертикальной плоскости, определяемой экс- центриситетом ев = 0,945 и развивающим зву- ковое давление на расстоянии 1 м от излучате- ля, равное 48 Па. Вычисленные данные для координат и и w по формулам и = 0,984х— (6 —г) -0,177 и ш=—0,177х — (6—г) 0,984 и для звукового давления 48и к и24-щг/(1 — 0,945) сводим в табл. 8.3. По звуковому давлению на- ходим уровни поля (в децибелах)1. Таблица 8.3. Данные расчета звукового поля в продольной плоскости X, м Z, м и. м W. м р. Па L. дБ 10 1.5 9,04 —6,2 0,984 93,8 25 6 24,6 -4,42 1,5 97,5 50 15 50,8 0 0,945 93,5 В продольном направлении по оси громко- говорителя неравномерность получилась рав- ной 4 дБ. По уровню громкоговоритель обес- печивает передачу музыкальных программ. Если задаться координатой у, то можно вы- числить уровни и в точках сбоку от оси гром- коговорителя. Уровни получатся меньше, чем по оси, но если стадион широкий, то его озвучи- вают несколькими громкоговорителями. Для каждого из иих следует подсчитать уровни и просуммировать квадраты давлений. Пример. Пусть второй громкоговоритель находится на расстоянии 20 м от первого. Оп- 1 См. программы расчета звукового поля для звуковых колонок и рупорных громко- говорителей в разд. 12. ределим суммарный уровень от обоих громко- говорителей в точке первого ряда (х = 10 м и г = 1,5 м) иа середине между громкоговорите- лями (у = 10 м). 48-9,04 р=--------------------------------------- - 9,042 + 102/(1—0.772) 4-6,22/( 1 —0.9452) = 0,63 Па. Суммарное давление р = Д/2 0.632 = = 0,895 Па Это давление соответствует 93 дБ. Следовательно, неравномерность озвучения будет равна 4,5 дБ, так как в точках на удален- ном от действия двух громкоговорителей ряду уровень повысится и будет около 96,5 дБ. Если громкоговорителей несколько, то не- равномерность озвучения можно определить только определением уровней в ряде точек, в которых наиболее возможны максимальные и минимальные уровни. Озвучение рупорными громкоговорителя- ми из-за их низких качественных показателей применяют только для передачи речевой ин- формации. Их используют и для передачи му- зыкальных программ во время демонстраций, митингов и т.п., когда уровень акустических шумов большой и другие искажения незамет- ны. Рупорные громкоговорители имеют высо- кое номинальное звуковое давление, поэтому ими можно озвучивать большое пространство с одной точки. (Рупорный громкоговоритель 100 ГРД имеет номинальное звуковое давление 48 Па, т. е. на расстоянии 240 м создает давле- ние около 0,2 Па, что соответствует уровню звука 80 дБ, равному очень громкой речи иа расстоянии 1 м ) Озвучение рупорными громко- говорителями дает плохую локализацию зву- кового поля во фронтальной полусфере. Пример. Определим уровень, создаваемый громкоговорителем 100 ГРД на расстоянии 500 м от его центра. Звуковое давление р600 = = 48/500 = 0,096 Па. Давление 0,96 соответствует 93,6 дБ, а полученное нами, следовательно, иа 20 дБ меньше, т. е. 73,6 дБ. Это очень высокий уровень, превышающий санитарные нормы. Поэтому широкое использование сосредото- ченных систем из рупорных громкоговорите- лей, например для железнодорожных товарных станций, недопустимо, если близко к ним рас- положена жилая зона (в пределах 500 м). Рупорные громкоговорители имеют хоро- шую осевую концентрацию излучения, и по- этому нх излучение в тыльную полусферу не- велико, что дает возможность хорошей лока- лизации поля в этой полусфере (можно рас- полагать громкоговорители близко к жилым помещениям без опасности превышения сани- тарных норм) Одним из недостатков систем оз- вучения рупорными громкоговорителями яв- ляется подчеркивание ими низких частот (буб- нение) в зоне под громкоговорителями, что обусловлено резким уменьшением направлен- ности на частотах ниже 300 Гц. 199
ЗВУКОВЫЕ КОЛОНКИ Акустическую (рабочую) ось звуковой ко- лонки направляют в удаленную точку озвучи- ваемой поверхности с наклоном а, где tg а = = hK с/х0, х0 — расстояние проекции точки подвеса колонки на горизонтальную плоскость от удаленной точки; hK C — высота подвеса колонки над озвучиваемой поверхностью. Так как характеристику направленности звуковой колонки во фронтальной полусфере аппрокси- мируют полуэллипсоидом, центр которого совпадает с рабочим центром излучателя, т.е. колонки (рис. 8.8), то оси полуэллипса направ- лены следующим образом: большая — по ра- бочей оси колонки, а малые — по продоль- ной и по поперечной осям выходного отвер- стия Соответственно малые осн эллипсов в диаграммах направленности в продольной н поперечной плоскостях, проходящих через акустическую ось, будут определять эксцент- риситет этих эллипсов еи = 1—б|/а2 и ег = )Л—Ь2/ц2. Эти эксцентриситеты для ряда колонок даны в табл 8.2. Звуковую колонку можно расположить так, что уровень под колонкой будет меньше, чем в удаленной точке (см. рис. 8.8, а), равный ему (см. рнс. 8.8, б) и больше его (см. рис. 8.8, в). При этом во всех точках, находящихся внут- ри эллипса озвучения, уровень будет выше, чем в точках, лежащих на самом эллипсе. Первый вариант применяют, когда под излучателем на- ходится первичный источник звука (см. зву- коусиление), второй наиболее часто использу- ют в системах озвучения; третий — если нет возможности применения второго варианта (например, когда ограничена или задана высо- та подвеса громкоговорителя). Для второго варианта а' = х0 = a cos а, а точка с максимальным уровнем находится в середине эллипса озвучения. При этом нерав- номерность уровнен AL = 10 1g (2 ев). Ши- рина эллипса озвучения, т. е. значение малой оси этого эллипса b' — a cos аЛ^ 1 — е?. Зона озвучения должна вписываться в этот эллипс. Высота подвеса колонки над озвучиваемой плоскостью в этом случае Лк.с = хо 1). Если ев = 0,97 и х0 = 10, то Лк.с = 2,51 м, а неравномерность озвучения составит ДА = = 10 1g (2-0,972) = 2,75 дБ. Если колонка имеет большую направлен- ность, то соответственно второму варианту ее следует подвешивать ниже (рис. 8.9, а). При этом неравномерность озвучения почти не из- меняется (стремится к 3 дБ). Применение сдвоенных колонок (постав- ленных одна над другой) позволяет увеличить направленность (диаграмма направленности в вертикальной плоскости сжимается вдвое) и од- новременно повысить звуковое давление на оси вдвое. Появляется возможность увеличить длину озвучиваемой зоны почти при той же не- равномерности озвучения. При этом ширина озвучиваемой зоны также расширяется почти вдвое (см. рис 8.9, б), а площадь озвучиваемой зоны — почти вчетверо В любой точке проекции оси звуковой ко- лонки на озвучиваемую плоскость уровень L=Le— 10 X (1 + ХХ0)2+(Х-Х0)2/(1-е2) xlg (i+x?)2 Здесь X и Хо имеют те же значения, что и для рупорного громкоговорителя. Это выражение является общим для всех точек, лежащих на проекции оси звуковой колонки на озвучивае- мую плоскость, причем внутри основного эл- липса озвучения уровень выше, чем в точке упора оси в эту плоскость, а вне его — мень- ше. Если точка х совпадает с точкой хм, то уро- вень выше Lo на величину неравномерности Рнс. 8.8. Расположение звуковых колонок при озвучении плоской поверхности: а — при высоком поДвесе; б — при оптимальной высоте подвеса для озвучения; в — при низком подвесе (Э эллипс озвучения) 200
Рис. 8.9. Влияние остроты направленности колонки на неравномерность озвучения (а) и сравнение озвучиваемой поверхности при использовании одной колонки (кривая /) и сдвоенной (кривая 2), работающих на полную мощность (б) озвучения. Заметим, что в данном выражении множитель в правой части не 20, как для ру- порных громкоговорителей, а 10, так как оп- ределяется квадратом звукового давления. Под звуковой колонкой (х = 0) уровень L = L0-101g 1+Х*/(1-е2) (1+Х§)* Пример. Определим снижение уровня для точки под колонкой для следующих данных' высота подвеса колонки над озвучиваемой пло- скостью ЛГфС =5 м, точка упора оси колон- ки в плоскость находится от точки под колон- кой на расстоянии 20 м (х0 = 20), (Хо = 4), эксцентриситет направленности в вертикаль- ной плоскости ев = 0,985 Для первой высоты 0,985*-20 хм =------------------------= 13,14 1+(1—0,985*) (20/5)* для второй 0,985*-20 хм —-------------------— 6,68 м м 1 + (1— 0,985*)-8* Координата точки, в которой уровень равен уровню в точке х0, Длина большой оси основного эллипса озву- чения AL Ю1К 1 + 4*/( 1—0,985*) (1-М2)2 = 2,7дБ, а = х0—хх = 2х0 (l-eg)(l+X*) 1Ч-(1—е|) X» а если высоту подвеса уменьшить до 2,5 м, то уровень под колонкой будет выше Lo на 2,72 дБ. Определим снижение уровня за точ- кой упора осн колонки в озвучиваемую плос- кость на 20 м (х0 = 40 м) при высоте подвеса 5 м (X = 8) и прочих тех же данных (1+8-4)2 (8 — 4)*/( 1 —0,985*) В (1+4*)2 = 7,5дБ Координата точки максимального уровня для одной колонки Лм= 1 +(1-е*> X* ' ширина эллипса озвучения (малая ось эллип- са) Ь = а е*Х* J/2 1+Х* ) Пример. Для данных предыдущего приме- ра при йк с = 2,5 м координата /________2-0,985*________ \ *1=2(Ц 1 + (]_0,985*) (20/2,5)* / = = —6,64 м, т. е. она находится за точкой подвеса. Длина большой оси эллипса озвучения а = 20+ 6,64 = 26,64 м. 201
длина малой оси (приег = 0,9) ft = 26,64 0,92 82 1 + 82 Если определять эллипс озвучения относитель- но точки с пониженным уровнем (с координа- той х3), то соответствующее выражение для его большой оси а для малой Для предыдущих данных и хэ =40 а = 2 0,9852-20 14- (1 _0,9852) • 82 = 78,6 м, Ь — 78,6 [ 1 0,92 82 2 + 82 / 1/2 = 35,4 м. Если форма озвучиваемой поверхности сложная, то расчет уровней на ней и определе- ние неравномерности озвучения могут быть сде- ланы методом координат. Для этого оси коор- динат совмещают с осями эллипсоида, аппрок- симирующего характеристики направленности. При таком условии звуковое давление в точке с координатами u, v и ш будет определяться выражением р2 Pi V2 W2 4 1-ег2 ‘ 1-е2/’ а уровень L — 10 1g (р2) + 94 дБ. В тех случаях, когда есть характеристика направленности колонки и видно, что она от- клоняется от эллипсоидальной, пользуются следующей формулой: П2-|-р2 RI (©г) 4 П2 + Щ2 н2 RI (0в) Р2 = р2 где RB (0в) и Rr (6Г) — радиусы-векторы диа- граммы направленности в продольной (верти- кальной) н поперечной (ошибочно называемой горизонтальной) плоскостях, проходящих че- рез рабочую ось колонки и соответствующие оси излучателя; OB = arctg (w/u) и 6r = arctg (v/u). Для удобства, как и в случае рупорных громкоговорителей, точки на озвучиваемой по- верхности задают в системе координат х, у и z и переходят от них к координатам и, v и и> с помощью тех же формул, что и в рупорных системах, а именно: и—х cos а4- (Лк — z) sin а, п=«/, t4i = xsina— (Лк —г) cos а. где а — угол подвеса, определяемой из форму- лы tga = 4K.c/Xo= (Лк —Лу.с)/х0; Лк — координата точки рабочего центра излу- чателя колонки; Лу.с — координата удален- ной точки озвучиваемой поверхности; Л,. с — высота рабочего центра излучателя над голо- вой удаленного слушателя. Пример. Определить уровни и неравномер- ность озвучения озвучиваемой поверхности, приведенной на рнс. 8.6. Расположим колон- ку над первым рядом, тогда длина озвучивае- мой поверхности о горизонтали будет равна 40 м. Возьмем колонку, имеющую характери- стику направленности с эксцентриситетами ев = 0,97 и ег = 0,9 Высоту озвучиваемой поверхности для первого ряда примем равной 1 м. В табл. 8.4 приведены координаты точек озвучиваемой поверхности для трех рядов: первого, среднего н удаленного. Таблица 8.4. Данные расчетов уровня озвучиваемой поверхности X. м 2, М и, м W, м L. дБ 0 1,0 1,0 —9,95 79,7 15 6,0 14,3 —7.5 81.3 40 15,0 40.2 0 79,9 Высоту подвеса звуковой колонки над го- ловами ближайших слушателей определим для второго варианта подвеса (см.рис. 8.8, б) Лк.б.с = Лк-1=41 У(1-0,972)/(2.0,972-1)= = 10 м, hK= 11 м . Следовательно, tg <х= (11 — 15)/40 = - — 0,1; cos а = 0,995 и sin а = — 0,1. Переведем координаты х и г в координаты и и w. и = 0,995х — 0,1 (И — г); и> = — 0,1х — —0,995 (11 — г), а координату и= у положим равной нулю (для точек, лежащих под осью излучателя). Вычисленные координаты сво- дим в табл. 8.4. Если колонка развивает звуковое давление на расстоянии 1 м от излучателя, равное 7,9 Па, то звуковое давление и уровень поля в заданных точках определяется из выраже- ний 7,92 р2 =----------------- и ' н24-и>2/(1 — 0,972) 4= 10 1g (р2)+94. Вычисленные данные для уровня поля при- ведены в табл. 8.4. Из этих данных следует, что неравномерность озвучения Д4 = 81,3—79,7 = 1,6 дБ. 202
Для нескольких звуковых колонок, стоя- щих не рядом, но все же на расстояниях, зна- чительно меньших расстояний до ближайших слушателей, звуковое давление определяют по методу координат с последующим суммиро- ванием по интенсивности, т. е. = = VPi + Р® + Рз+ Расстояние между ними определяют, исходя из неравномерно- сти озвучения по координате у. Если нерав- номерность ДЕр для первого ряда не превыша- ет заданной, то для более удаленных рядов она будет меньше ее. Расстояние между соседними одинаковыми колонками вычисляют по форму- ле Пример. Для предыдущего случая найдем расстояние между колонками для неравномер- ности 2 дБ и ег = 0,9, ев = 0,97: d = 2-9,95|x Xp^lO0,1’2 —1) (1 —0,92)/(1—0,972) — 27м, Следовательно, колонки можно располо- жить иа расстоянии 25 ... 30 м. Вышеприведенные формулы дают возмож- ность определения уровня во фронтальной полусфере излучения. Излучение в тыльную полусферу и звуковых колонок составляет около 20 % излучения во фронтальную, по- этому локализация звукового поля для тыль- ной полусферы для них хуже, чем для рупор- ных громкоговорителей. Для звуковых коло- нок уровень в тыльной полусфере вычисляют по формуле Lm = £ф — 14 (£ф — уровень во фронтальной полусфере на таком же расстоя- нии от колонки). Звуковые колонки использу- ют для передачи разнообразных программ, так как их качественные показатели достаточно высокие. Но они дают меньшую дальность оз- вучения (100 КЗ имеет номинальное давление не выше 24 Па, т. е. меньше рупорного 100 ГРД в 2 раза). Поэтому для озвучения больших площадей требуется большее число колонок, чем рупорных громкоговорителей, т. е. озву- чение стоит дороже. ОЗВУЧЕНИЕ УДАЛЕННЫХ И ДАЛЬНИХ ЗОН Различают дальние и удаленные зоны оз- вучения. Под удаленными обычно подразумева- ют такие, для которых еще непосредственно действует прямой звук. Это зоны, удаленные от источника звука примерно на расстояния 200 м ... 0,5 км. Более удаленные зоны назы- вают дальними. Их характеризуют наличием «мертвых» зон (акустической тени), создавае- мых искривлением хода звуковых волн в ат- мосфере. Дальние зоны считаются от 1 км и да- лее. Промежуток между дальними и удален- ными зонами (0,5... 1 км) называют переход- ным. При озвучении удаленных зон возможны два варианта озвучения: достаточно широкая зона его (до 0,3 км) при дальности не более 0,5 км и узкая его зона при дальности до 1 км. Для увеличения дальности действия систе- мы звукофикации необходимо увеличение на- правленности в вертикальной плоскости. Но слишком большую направленность брать нель- зя, так как может оказаться искривление звукового луча из-за атмосферных явлений и образование мертвой зоны. Если заданы глу- бина озвучиваемой зоны d, максимально воз- можная высота подвеса громкоговорителя h и расстояние до конца зоны, то можно найти не- обходимую направленность громкоговорите- ля. Прн условии Хо 1 (которое всегда вы- полняется в этих случаях) необходимая направленность громкоговорителя определя- ется при следующем эксцентриситете в верти- кальной плоскости Г, А 1|/2 е„ = 1 1 —----------- = L Х2(Х0-Д) I / ah2 у/2 \ (*о —о) / где А = a/h, а — большая ось эллипса озву- чения. Чтобы с гарантией озвучить заданную уда- ленную зону, большую ось эллипса озвучения берут в 2...3 раза больше глубины этой зоны d, поэтому искривление звуковых лучей из-за атмосферных условий не повлияет на слыши- мость передачи. Когда направленности одного громкогово- рителя в вертикальной плоскости недостаточ- но, то для увеличения ее, как указывалось, ставят громкоговорители друг на друга. Ес- ли поставить п громкоговорителей друг на друга, то в этом случае эксцентриситет эллип- са направленности в вертикальной плоскости увеличивается и станет е= (п2 — Цс?)' fi!n. В пределах эллипса озвучения неравномер- ность озвучения очень мала (менее 1 дБ). Ширина озвучиваемой зоны определяется эксцентриситетом направленности громкого- ворителей и большой осью эллипса озвучения b = Bh=a е2Х2 \1/2 1 + ХЗ ) «а (1—е2)1/2. 1 Если эксцентриситет эллипса направлен- ности громкоговорителя в горизонтальной плоскости взять равным значению для типовых рупорных громкоговорителей (ег = 0,77), то ширина эллипса озвучения будет b = = а (1—0,772)1/2 = 0,64 а, и если в пределе а = 5х0, то b = 0,32 х, т. е. около 1/3 расстоя- ния до удаленного края озвучиваемой зоны. Может оказаться, что ширина озвучиваемой зоны задана больше (1/3) х0. При этом если ши- рина заданной зоны не очень отличается от ма- лой осн эллипса озвучения, то следует прове- рить, насколько увеличится неравномерность 203
озвучения на флангах зоны по сравнению с кра- ями эллипса озвучения. Неравномерность на флангах зоны опреде- ляют для угла 0Г = arctg (ft/2 х0), где Ь — ширина заданной зоны озвучения, а именно: (1 —е?) cos 0Г AL = 20 lg R (0) =20 lg 4--- 1 . 1 — e‘ cos2 0r Если неравномерность получится меньше 3 дБ, то надо взять более направленный гром- коговоритель в горизонтальной плоскости, ес- ли больше 3 дБ, надо применить или громкого- воритель с меньшей направленностью в гори- зонтальной плоскости (например, применить сдвоенные по горизонтали громкоговорители с развертыванием их осей под углом до 30... ...45°), или зональную систему. Далее расчет идет так, как и для обычных сосредоточенных систем озвучения, с той лишь разницей, что необходимо учитывать затуха- ние звука на большие расстояния. Эту поправ- ку рассчитывают для средних частот (500 ... ... 1000 Гц). Задаваясь средними условиями температуры, влажности и частоты, определя- ют из рнс. 1.13 километрическое затухание (в дБ/км). Иногда необходимо провести рас- чет и для других конкретных условий. В таких случаях, пользуясь теми же кривыми, подсчи- тывают затухание и определяют отклонение от среднего для заданных условий. При озвучении удаленных зон часто ис- пользуют ограничение уровня речевого сиг- нала в целях снижения мощности громкогово- рителей. При этом разборчивость речи прак- тически не снижается (см. § 10. 7). Для озвучения дальних зон, находящихся на расстояниях свыше 1 км, во избежание акустической тени приходится применять громкоговоритель с небольшой направлен- ностью в вертикальной плоскости, причем чем дальше находится зона озвучения, тем мень- ше надо брать эту направленность. Для рас- стояний свыше 2 ... 3 км достаточна направ- ленность, соответствующая направленности типовых рупорных громкоговорителей в го- ризонтальной плоскости, т. е. ег = 0,77.Такая направленность соответствует углу излучения, в пределах которого звуковое давление по от- ношению к осевому снижается не более чем в 1,4 раза, равному ± 25°. Для расстояний около 1 км достаточна направленность, соот- ветствующая е ~ 0,95 (угол излучения около ± 15°). Ширина озвучиваемой зоны определя- ется, как и для более близких зон, т. е. по не- равномерности озвучения не более 6 дБ. Для заданной ширины зоны можно определить не- обходимую направленность громкоговорителя для R (0Г) - 0,7 е2 = (cos Нг — 0,7)/(cos 0Г — 0,7 cos2 ©г). где cos 0Г — + (й/2)2!'^*, b — ширина зоны. Расчет дальности действия громкоговорящей системы определяется с учетом затухания звука, кроме уменьшения его интенсивности по квадратичному закону, на 2 ... 6 дБ/км в за- висимости от частоты (верхний предел дан для частоты 2000 Гц). Для получения большой мощности излуче- ния рупорные громкоговорители снабжены не- сколькими головками, работающими на один рупор. Требуемую направленность громкого- ворителя в горизонтальной плоскости опреде- ляют, как и для удаленных зон. В остальном расчет ведется, как и для уда- ленных зон, причем всегда с применением ог- раничителей уровня (или компрессоров). Все эти устройства используются и для передачи музыки, но, конечно, с теми же, пиковыми уровнями, что и для пиковых уровней речи. 8.4. ЗОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОЗВУЧЕНИЯ Зональные системы бывают линейные и пространственные. Первые служат для озву- чения длинных, но узких поверхностей (на- пример, улиц), вторые — для озвучения боль- ших площадей, когда их нельзя озвучить со- средоточенной системой. Кроме них есть еще зональные системы, состоящие из нескольких пар встречно работающих громкоговорителей. Чаще всего они бывают линейного типа. Та- кой системой можно озвучить длинный объект. Широкие объекты озвучиваются рядом парал- лельных линейных систем. В таких системах при использовании рупорных громкоговорите- лей приходится применять подзвучнвание под громкоговорителями, т. е. в каждой точке рас- положения громкоговорителей применять их по три штуки: один вперед, другой назад и третий вниз. Преимущество применения рупорных гром- коговорителей в зональных системах — их меньшая общая стоимость по сравнению с дру- гими громкоговорителями. Зональные системы в сравнении с сосредоточенными и распреде- ленными имеют лучшую локализацию звуко- вого поля, так как размеры частных зон неве- лики, а за их пределами уровень быстро пада- ет. Наиболее удобны для зонального озвучения широких площадей (рис. 8.10) радиальные громкоговорители или веерные групповые сис- темы громкоговорителей (расположение не- скольких звуковых колонок или рупорных громкоговорителей) около центральных точек частных зон озвучения. При таком расположе- нии громкоговорителей уровень поля на стыке границ соседних частных зон озвучения (по от- ношению к уровню от действия громкоговори- теля своей зоны) повышается на 3 дБ, так как интенсивности от двух громкоговорителей складываются арифметически. В углах зон увеличение будет на 6 дБ (от четырех громко- говорителей). Уровень на всей границе зоны будет примерно один н тот же. Неравномер- ность озвучения для радиальных громкого- ворителей можно определить, считая их ха- 204
рактеристику направленности в нижней поло- вине вертикальной плоскости близкой к сфери- ческой (на самом деле под громкоговорителем получается уменьшение направленности на 5 ... 7 дБ по сравнению с излучением под 90° к вертикальной оси), так как радиальный гром- коговоритель излучает вниз несколько слабее, чем в сторону. Внутри каждой зоны уровень может быть определен по характеристике нап- равленности своего громкоговорителя, так как громкоговорители других зон практиче- ски ничего не добавляют. Для точки, находящейся под громкоговори- телем, звуковое давление и уровень поля соот- ветственно равны Рб-С = Рг(Лгр — Лр.г) и Бб.г = 20 1g р„.с -Г 94, где р, — звуковое давление на расстоянии 1 м от громкоговори- теля по его акустической оси; Лгр — высота подвеса громкоговорителя над землей; — — вертикальная координата точки нахожде- ния головы ближайшего слушателя. Для точки, находящейся на расстоянии г в сторону от оси (под углом у к ней): ру.с = = 6Р1/У(Лгр ~ Лб.с)2 и Lv.c 201g ру.(. - + 94, tg у = r/(hrp — hc.c), где k — коэффициент, учитывающий увеличе- ние направленности излучателя. Под углом 50 ..70' его можно считать равным 2. Нерав- номерность озвучения для одного громкого- ворителя ALj Lfj.c—~Бу.с - = = 20 1g ^(/!гР~/гб-с) -20 1g (k cos у). ^rp--------------Afi.c а на стыке зон AL = ALt — 3. Пример. Радиальные громкоговорители, подвешенные на высоте 8 м, находятся на рас- стоянии 40 м друг от друга. Звуковые давле- ния и уровни поля на высоте 1,5 м под гром- коговорителем и на стыках зон от одного гром- коговорителя для Р! = 4 Па будут: Рб.с —4/(8—1,5) 0,62Па, (у-=72°); ру-С = 2-4/Д/202 6Л2=0,38 Па; Lp с = 20 1g0,62 = 89,8 дБ и Ly.c = 20 1g 0,38 85,6 дБ. Добавляя к последнему 3 дБ от дейст вия соседнего громкоговорителя, получаем 88,6 дБ. Поэтому неравномерность озвучения будет AL = 89,8 — 88,6 = 1,2 дБ. Подсчет неравномерности для углов зоны показывает, что если полагать k = 2, то она будет менее 1 дБ, а с учетом уменьшения излу- чения (для угла у — 77°) неравномерность бу- дет несколько больше. В зональных системах появляется опас- ность возникновения эха из-за разности хота между соседними громкоговорителями. Эхо мо- жет прослушиваться под громкоговорителем, так как разность хода в этой точке получает- ся максимальной (Аг = I — hv.e, где hr.,. - высота подвеса громкоговорителя нал озвучас- мой поверхностью; I ~ d—расстояние между Рис. 8.10. Иллюстрация озвучения большой площади зональной системой громкоговорителями). Разность уровней оп- ределяется отношением расстояний и разно- стью в направленности (5...7 дБ), т. е. AL = = L„ - Lh = 20 1g (Лг.с//) - (5 ... 7). Практически для радиальных громкоговорите- лей эхо не прослушивается, а в случае приме- нения других громкоговорителей оно возмож- но н поэтому подлежит проверке (рис.8.11). Особенно эхо проявляется при продольной ориентации акустических осей рупорных гром- коговорителей: разность хода волн получает- ся очень большая, а уровни от громкоговорите- лей уменьшаются с расстоянием очень медлен- но. На рис. 8.11, б показано такое расстояние громкоговорителей и указаны зоны эха. Они получаются очень большими, поэтому в таких случаях идут на расстыковку зон озвучения, т. е. заранее планируют необслуживаемые зо- ны. По существу, при этом имеет место не- сколько зон озвучения централизованными си- стемами. Расчет этих зон ведут методами рас- чета сосредоточенных систем озвучения. Другой путь радикального исключения возможностей возникновения эха — приме- нение систем бегущей волны. В этом случае в каждый следующий громкоговоритель по- ступает напряжение, задержанное на время прохода звуковой волны от предыдущего громкоговорителя (см. рнс. 8.11, д). Это мож- но легко осуществить, если мощный усилитель, питающий громкоговоритель, расположить рядом с ним (это будет необслуживаемый уси- литель). В этом случае линии задержки рас- полагаются на узловой станции. Если длина такой системы будет 10 км, то максимальная задержка должна быть около 30 с. Приведем некоторые данные по расчету эха в зональных системах. Линейные зональные системы. Если оси громкоговорителей направлены по длине оз- вучиваемого объекта, то для расчета эха можно использовать выводы, полученные для комбинаций двух громкоговорителей с уче- том дополнительного действия соседних гром- коговорителей. Например, при встречной ра- боте (см. рис. 8.11, в) полезный уровень под громкоговорителями увеличится на 3 дБ, но и мешающий уровень тоже увеличится на 3 дБ, а на других участках уровень помех немного увеличится из-за действия соседних громкого- ворителей, поэтому запас по перепаду уровней 205
несколько снизится. Требуется подзвучивание под громкоговорителями. Если осн громкоговорителей направлены поперек объекта (см. рис. 8.11), а) и цепочка одна (с одной стороны объекта), то значитель- ные помехи могут быть только под громкого- ворителями от действия соседних, если рас- стояние между громкоговорителями более 25 м (считая, что высота их подвеса более 5 м). Для высоты подвеса h и расстояния между громко- говорителями dr разность хода для точки под громкоговорителем А» = (h2 + d2)1/2 — h, а перепад уровней для звуковых колонок осей в пределах Ло 2 ... 10, так как Х2/(1 —е2) 1, и поэтому \/. 10 1g 1 Л2(1—е2) = 10 1g d_V h / О-1») ('-er) AL= 10 1g d2 (l-er2)|u2 + u,2/(l -е2)| где и = h sin а0 и ai h cos а0, так как х 0 Полагая sin а0 = tg а0 = 1/Х0, перепад уров- ней (с учетом помех от двух громкоговорите- лей) AL - 10 1g Н1 3 Если взять d 40 м. Л 5 м, 0.95, ег = 0,9 (колонка 15КЗ), Хо 3 (опти- мальный по минимуму неравномерности для этой колонки), то перепад уровней будет AL= 10 lg {1 +40233/|(52-0,19(1 1 32/0,098)1} - — 3 = 12,3 дБ, время запаздывания Ат |(402 Ь 52)'^’—5| 340 = 0,104 с. Требуемый перепад из рис. 2 21 получается 12 дБ, т. е в норме для заметного эха Примерно тот же перепад получается и для других наклонов Из практики известно, что предельное рассто- яние между колонками не должно быть более 45 м. Заметим, что для рупорных громкогово- рителей этот расчет не годится, так как эл- липтическое приближение под такими боль- шими углами не дает точных результатов. К тому же рупорные громкоговорители, как показывает практика, чаще всего используют вдоль длинного объекта, а поперек его редко. Исключение составляет звукофикация широко- го объекта (площади), когда нельзя устанав- ливать 1толбы на площади для подвески гром- коговорителей. Заметим, чго системы с громкоговорителя- ми, расположенными вдоль объекта, обслу- живают зону шириной до 25 м, системы с попе- речно расположенными громкоговорителями — зону шириной до 100 м (до появления эха) и до 50 м при заметном эхе Чтобы избежать мертвых зон под рупор- ными громкоговорителями и, следовательно, эха иногда используют (при высокой подвеске) строенные рупорные громкоговорители: один из них направляют осью вниз. Пространственные зональные системы. Они могут быть составлены из нескольких линей- ных систем (см. рнс 8.11, а), каждая из кото- рых обслуживает относительно узкую, но 206
длинную зону. В этом случае возможно появ- ление взаимных помех. Для поперечного расположения громкогово- рителей в каждой узкой зоне помехи от сосед- них зон определяются так, как для продоль- ного расположения громкоговорителей в ли- нейных системах, а для продольного располо- жения в каждой узкой зоне так, как для по- перечного расположения в линейных системах. Для пространственных зональных систем с обслуживанием их радиальными громкогово- рителями помехи в виде мешающего эха появ- ляются при расстояниях между громкоговорн телями свыше 40 м. Под каждым громкогово- рителем получается перепад уровнен, создава- емых своим громкоговорителем и четырьмя со- седними I d2 1 AL=10 1g|l +—]-1?, а разность хода во времени Дт = |(d2 -f- + — Л]/340. Например, подставляя в эти выражения значения d 40, h = 5, по- 402 думаем: ДЕ = 10 lg (1 4 -gr) — 12 6 дБ. и разность хода Дт 0,104 с, тогда как до- пустимая разность уровней для этого запаз- дывания составляет для появления мешаю- щего эха также 6 дБ. Прн этом неравно- мерность озвучения с учетом 3 дБ на стыке зон будет I ^2 \ A£=10)g 1 +—- 1—6—3 I 402 \ = 10 1g 1 +-7-7Г ~9=3-3дБ \ 4-52 / Если сдвинуть громкоговорители на 30 м, то соответственно перепад уровней будет 3,5 дБ и разность хода до 75 мс. Требуемый перепад для появления мешающего эха (см рис. 2 21) составляет— 1 дБ, а заметного 4-6 дБ. По не- равномерности можно было бы разнести гром- коговорители и на большее расстояние, но су- ществующие радиальные громкоговорители развивают недостаточно большой уровень, что- бы создать требуемый уровень 70 дБ для слу- шания на фоне акустических шумов. Радиальные громкоговорители, составлен- ные из звуковых колонок или рупорных, мо- гут перекрыть большие расстояния при боль- шей высоте подвеса. Так, громкоговоритель, составленный из шести 10ГРД-5, при высоте подвеса 10 м обслуживает зону 50x50 м без ме- шающего эха. Методы нейтрализации помех в системах зональной звукофикации. Как указывалось, помехи в системах звукофикации возникают от действия тех же громкоговорителей, кото- рые установлены на заданном объекте звуко- фикации для его озвучения, а также от от- ражения звуковых волн от различных строе- ний, стоящих около объекта или даже иа самом объекте звукофикации Помехи возникают и от других громкоговорителей, если размеры озвучиваемой поверхности велнки и одним сосредоточенным источником звука не обой- тись, н поэтому приходится использовать зо- нальную илн распределенную систему озвуче- ния или по крайней мере иметь два источника звука, работающих навстречу друг другу. Поэтому важно определять уровни этих помех на озвучиваемой поверхности и способы их сни- жения. Определение уровней, создаваемых систе- мами озвучения. Если расстояние слушателя от звука, отражающегося от строения, не пре- вышает 10 м, то никакой помехи нет. Но в боль- шинстве случаев размеры озвучиваемой по- верхности гораздо больше 10 м, и если строе- ния находятся на краю озвучиваемой поверх- ности, то в ряде ее точек будет разность хода прямой и отраженной звуковых волн более 20 м. В таких случаях, чтобы уменьшить уро- вень отраженных звуковых волн, надо создать наибольший градиент изменения уровня в на- правлении к этому строению. Эти требования можно выполнить, создавая уровень на гра- нице озвучиваемой поверхности не более 11 дБ ниже максимального, тогда вследствие отра- жения, воспринимаемого слушателем, уро- вень будет только на 8 дБ ниже максимально- го и неравномерность не превысит нормы Для получения большого градиента изме- нения уровней угол наклона оси громкогово- рителя нельзя брать меньше 18 (Хо ~ 3), а для получения небольшой неравномерности на начальном участке нельзя брать угол на- клона больше 26° (Хо = 2). Следовательно, прн больших размерах площади (например, 80 м) надо подвешивать громкоговорители не ниже 80/3 = 28 м и не выше 80/2 = 40 м Только при такой высокой подвеске градиент изменения уровней будет предельно воможным. Пример. Возьмем мощную звуковую ко- лонку 100КЗ, ее эксцентриситет ев — 0,985, а (I —ей) « 0,03. При продольном размере площади 80 м, точке упора осн в озвучиваемую поверхность 40 м, высоте подвеса колонки 20 м (Хо = 2, Х3 - 4) получим неравномерность озвучения на границе площади ДЕ 10 lg <1+°.()3-28)t(H-2 4)2+ -. К4-2)2/0’031 9.8 дБ. Так как у края озвучиваемой поверхности на- ходится строение, хорошо отражающее зву- ковые волны, то уровень повысится на 3 дБ и неравномерность снизится до 6,8 дБ. Построим график уровней для Хо = 2 в зависимости от расстояния до громкоговорителя (рис. 8.12). Если отражающая поверхность будет на рас- стоянии 80 м от громкоговорителя, то для от- раженной волны уменьшение уровня будет зеркальным отражением (кривая /). Опреде- лим перепады уровней прямого и отраженного звука в зависимости от расстояния и времени запаздывания и результаты запишем в табли 207
Таблица 8.5. Перепады уровней для различных отражений при высоте 20 м ао=26° (Ло=2) Разность хода, м 0 20 40 60 Время запаздывания, мс 415 332 226 115 Перепады уровней допустимые 18 16 12 5 1 отражение | 10 14 15 7 2 отражение / R 17 18 11 5 3 отражение ) 20 19 14 8 цу (отражение 1). Там же даем предельно воз- можные перепады уровней (граница мешающе- го эха). Как видим из этих данных, мешание будет в пределах от точки под громкоговорите- лем до 30 с от него. Избежать этого можно пу- тем подзвучивания менее мощным громкогово- рителем, направленным вниз под углом 60 , или озвучивать эту часть площади (на ней мо- гут находиться трибуны) специальными гром- коговорителями, находящимися на расстоя- нии 30 м от основных громкоговорителей и на- правленных на трибуны (навстречу основным). Если отражающая поверхность находится на расстоянии 20 м или 40 м за краем озвучи- ваемой поверхности (х3 100 и 120 м), то ана- логично строим кривую отраженных уровней (кривые 2 и 3) и из них находим перепады уров- ней прямого и отраженного звука. Эти дан- ные сводим в ту же табл. 8.5 Для 100 м (отра- жение 2) только точки под громкоговорителем имеют перепад уровня меньше допустимого на 1 дБ, а при 120 м — перепад уровнен обеспечи- вает отсутствие эха (запас 2—3 дБ). Если необ- Рис. 8.12. Пример расчета перепада уровней прямого и отраженного звуков от препятст- вий на расстояниях 30 (/), 100 (2), и 120 м (3) ходимо, то можно подзвучить маломощными громкоговорителями. Для отражающей по- верхности на расстоянии 40 м от края озвучи- ваемой поверхности перепады получились больше допустимых на 2. .3 дБ на всей пло- щади. Для мощного рупорного громкоговорите- ля (ен = 0,945, 1 —е2в = 0,107) при тех же установочных данных Д7. = 20 _.0.5[1 ( 0,107-2*)] Х^ (1 + 2-4) (1+2*) [(I +2-4)* -|- (4 2)8/0,107 =9 2 дБ Рассуждая аналогично предыдущему слу- чаю. получаем перепады уровней прямого и отраженного звука. Сравнивая эти данные с предыдущими, видим, что онн мало отличаются друг от друга. Разница между этими громкого- ворителями только в том, что у колонки нет не- обслуживаемой зоны под громкоговорителем (неравномерность не более 8 дБ), а у рупор- ного она есть (в данном случае она получается и при неравномерности 8 дБ) Определим точку, в которой уровень равен уровню в точке упора оси. Имеем х, ЗОХ X 0,945* ( I | 0,107-4) 19 м, а уровень под громкоговорителем в этом случае на 18,3 дБ ниже, чем в точке упора оси Поэтому необ- служиваемая зона будет шириной около 10 м. Преимуществом рупорного является большая громкость передачи (примерно на 6 дБ). Как колонки, так и рупорные громкого- ворители, применяемые для озвучения боль- ших площадей, создают недостаточно большой градиент уменьшения уровней для того, чтобы не мешать в соседних зонах. Даже при X = 100 (для нашего случая это 2 км) уровень снижается по отношению к максимальному только на 43 дБ, т. е. при максимальном уров- не 90 дБ это будет 47 дБ, что около санитар- ной нормы для внешнего шума жилой зоны. Таким образом, зона мешання простирается на 2 км от озвучиваемой площади. Такой системой можно пользоваться только в особых случаях (праздничное гулянье и т п.). Звуковые колонки много излучают и назад, причем дальность этого действия приме но в 5 раз меньше, т. е. составляет около 400 м. В этом отношении рупорные громкоговорите- ли лучше, так как они почти не излучают на- зад и помехи от них в эту сторону не будут далее 10 . 20 м 208
Рис. 8.13. Иллюстрация расчета перепадов уровней для двух встречно работающих громкоговорителей при разных углах наклона нх осей к горизонту: а— 15КЗ и Х„=2 (26°); б—15КЗ и Хо=1О (5.7°); в— 10ГРД и %о=2; г— 10ГРД и X.-IO Два громкоговорителя, работающие встреч- но, на середине между ними создают одинако- вые уровни, и поэтому общий уровень на сред- ней линии на 3 дБ выше, чем прн одиночной работе громкоговорителя. В обе стороны от этой точки иа 10 м помех не будет, так как раз- ность хода с учетом высоты подвеса будет меньше 20 м. Дальше этого расстояния воз- можно появление эха. Как было показано ра- нее, отраженный звук от препятствия, находя- щегося на краю озвучиваемой поверхности длиной 80 м, еще не создает мешающего эха. Но это равносильно встречной работе громко- говорителей, находящихся на расстоянии 160 м друг от друга (и даже они могут быть на расстоянии 200 м, так как при этом еще нет мешающего эха). Только в этом случае потре- буется озвучивать ближнюю зону около гром- коговорителей. Предыдущее рассмотрение относится к ра- боте мощных громкоговорителей с озвучением большой площади. Часто требуется озвучить двумя громкоговорителями небольшую улицу или площадь. В этом случае используют зву- ковые колонки или рупорные громкоговорите- ли средней и иногда небольшой мощности, ча- ще всего рупорные 10 Вт (громкоговоритель 10ГРД-5 и звуковые колонки 15КЗ-4 или 15КЗ-6, смотря по назначению системы: 15КЗ-6 применяют для передачи художественных про- грамм). В данных случаях имеют дело только с взаимными помехами. Есть два метода снижения этих помех. Один был рассмотрен ранее (подвеска громкогово- рителей с большой крутизной подвески (Хо = = 2 и 3) и направлением осей громкоговорите- лей на точки ближесередины зоны (на 0,2 ... ... 0,25 расстояния между громкоговорителя- ми). Второй метод — подвеска громкоговори- телей на небольшой высоте с тем, чтобы под ними уровень был на 6 ... 11 дБ выше, чем на середине зоны. По первому методу строим зависимость уровней от расстояния до громкоговорителей (рис. 8.13, а). В середине на стыке зон уровни увеличиваются на 3 дБ из-за суммирования интенсивностей. В результате получаем пере- пады уровней, приведенные в табл. 8.6, и раз- ность времени прихода звуковых волн в зави- симости от расстояния с учетом высоты подве- са громкоговорителей. Как видим, по этому методу есть запас на 4... 5 дБ, если считать, что под громкоговорителем в небольшой зоне шириной около 3 м будет мешающее эхо. При необходимости там надо поместить небольшие громкоговорители для озвучения этой части площадки. Можно было бы раздвинуть громко- говорители на расстояние до 120 м друг от друга — эхо не будет мешающим. Но для та- кого расстояния мощности громкоговорителей Таблица 8.6. Сравнение двух методов по перепадам уровней Параметр Первый метод (26°) Второй метод (5,7°) Расстояние от громкого- 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 ворителя, м Время запаздывания, мс Перепады уровней, дБ: 266 225 175 115 58 0 280 234 175 117 58 0 допустимый 14 12 9 5 2 0 15 12 9 5 0 0 фактический 13 17 14 9 4 0 16 15 И 7 3,5 0 209
Т а б л и ц а 8.7. Сравнение двух методов по перепаду уровней Параметр Первый метод (26°) Второй метод (5,7°) Расстояние от громкого- 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 ворителя, м Время запаздывания, мс 266 225 171 115 58 0 286 234 175 117 58 0 Перепады уровней, дБ: допустимый 14 12 9 5 0 0 15 12 9 5 0 0 фактический 8,4 11,8 12,9 8,3 4 0 — 1,8 16,1 11,5 7,2 3,5 0 будет недостаточно для получения приемле- мых уровней передачи. По второму методу (рис. 8.13, б) перепады несколько меньше, чем по первому методу, кроме участка под громкоговорителями. Но и такие перепады вполне достаточны. Неравно- мерность озвучения получается 7,4 дБ. Можно использовать промежуточные ва- рианты: увеличение высоты подвеса с прибли- жением точки упора оси ближе к граиице раз- дела зон. Рассмотрим те же методы применительно к рупорным громкоговорителям, в частности к 10ГРД-5. Строим зависимости уровней от рас- стояния до громкоговорителей (рис. 8.13, г и д) и рассчитываем перепады уровней для тех же расстояний и углов иаклона оси громкого- ворителей, как и в предыдущем случае. Дан- ные расчетов сводим в таблицу 8 7 для обоих методов. Как видно из данных, по первому методу только в зоне под громкоговорителем шириной 10 м перепад меньше допустимого, т. е. требу- ется дополнительное подзвучивание этой зо- ны. По второму методу то же самое, но требу- ется подзвучение той же зоны с более высоким уровнем. Это вполне понятно, так как рупор- ные громкоговорители почти не излучают под углом 90“ и слабо излучают под большими уг- лами. В рассмотренных случаях исходили из ус- ловия отсутствия мешающего эха. Но при оз- вучении с более высокими требованиями следует исходить из условия заметного эха. В этом случае допустимые перепады уровней гораздо меньшие и поэтому расстояния между громкоговорителями надо брать вдвое меньше (40 ... 60 м). Дело в том, что абсциссы кривой заметности эха и кривой мешающего эта от- личаются примерно вдвое, и поэтому для одних и тех же перепадов уровней время запаздывания надо иметь вдвое меиьшее. Сравним рассмотреиные методы озвучения с зональной системой, состоящей из громкогово- рителей, оси которых направлены в одну сто- рону по длине объекта. Если взять два гром- коговорителя с расстоянием между ними 50 м и направить ось одиого из них в точку под сле- дующий за ним громкоговоритель, то можно найти перепады уровней в различных точках по линии громкоговорителей. Получаются до- статочно большие перепады, но при большой иеравномерности озвучения. Выходов два: сблизить громкоговорители, например до 40 м, или оставить громкоговорители иа прежних ме- стах, но изменить наклон их осей, взяв про- межуточный наклон между двумя методами. При таком условии перепады сильно уменьша- ются. Для примера рассмотрим один случай: звуковые колонки 13КЗ-5 подвешены иа высо- те 10 м с углом наклона 11,3° (X = 5). Рас- чет уровней, развиваемых колонками, дает перепады уровней, приведенные ниже. Расстояние от гром- коговорителя, м . . 0 Время запаздыва- ния, мс . . . 121 Требуемый перепад, дБ.................... 5 Фактический пере- пад, дБ . 4,2 10 20 137 142 5.8 6,2 7,1 8 30 40 144 145 6.9 7,5 8,7 8,1 Как видим, около громкоговорителя перепад меньше требуемого Этот вариант уступает предыдущим по количеству точек озвучеиия (требуется опор вдвое больше). Его преимуще- ство в том, что звук как бы идет в одном на- правлении. Примерно такие же результаты по- лучаются и для рупорных громкоговорителей. Но для иих обязательио требуется подзвучива- иие под громкоговорителями. 8.5. ОСОБЕННОСТИ ОЗВУЧЕНИЯ ПОМЕЩЕНИЙ Помимо того что в помещениях обязатель- но присутствуют реверберационные помехи и помехи от диффузного звука, имеющего уро- вень выше уровня прямого звука, они имеют ряд специфических черт, которые следует учи- тывать при их озвучении. К этим особенностям относятся: I) иаличие отражений от ограни- чивающих поверхностей с небольшим запазды- ванием по отношению к прямому звуку, что повышает эффективность систем озвучения; 2) ограничение высоты подвеса из-за потолка; 3) как правило, меньшие размеры озвучивае- мых площадей в сравнении с открытым прост- ранством. Для озвучеиия помещений используют со- средоточенные и распределеииые системы. Зо- нальные системы применяются редко, если не считать, что использоваиие отдельной системы для озвучеиия балконов и лож представляет 210
собой зональную систему. Правда, в очень больших помещениях (типа выставочных) иног- да применяют зональную систему. 8.6. СОСРЕДОТОЧЕННЫЕ СИСТЕМЫ ОЗВУЧЕНИЯ ПОМЕЩЕНИЙ Для озвучения помещений почти не исполь- зуют рупорных громкоговорителей *, так как они непригодны для передачи художественных программ, а помещения для речевых передач не так велики, чтобы применять в них мощные громкоговорители. Поэтому для сосредоточен- ных систем используют преимущественно зву- ковые колонки, располагаемые вблизи первич- ных источников звука, т. е. на сцене, около кафедры и т.п., а иногда и в центре зала. Для музыкальных передач необходимо, чтобы удов- летворялись условия локализации первичного источника звука. Для большинства помещений достаточно иметь одну звуковую колонку, что- бы обеспечить равномерное озвучение зала ши- риной не более 12 м. Часто приходится уста- навливать две звуковые колонки по бокам сце- ны из-за невозможности установки одной ко- лонки в середине сцены. Две колонки обеспе- чивают озвучение помещений шириной не ме- нее 20 мм. Более широкие залы озвучивают че- тырьмя колонками, но не более. Если помеще- ние прямоугольной формы, то оси колонок це- лесообразно направлять параллельно друг другу. При круглой (полукруглой) форме по- мещения (в плайе) оси целесообразно направ- лять по радиусам секторов. Расчеты ведутся, как и для открытых про- странств, ио с учетом отражений, от задней и частично от боковых стен. Если задняя стена имеет коэффициент отражения 0,6, то суммар- ная интенсивность звука у задней стены будет в 1,6 раза больше интенсивности прямого зву- ка, поэтому в таких помещениях по сравнению с открытым пространством высоту подвеса следует брать меньше в 1,6 раза. Тогда уровни под громкоговорителем и в удаленной точке будут одинаковыми. В этом случае высота под- веса звуковой колонки над озвучиваемой по- верхностью будет около /iK.c = О,7хо1/1—ев, где хп — расстояние от колонки до удаленной точки; ев — эксцентриситет диаграммы на- правленности по вертикали. В углах помеще- ния уровень повышается от отражений от бо- ковых стен, и поэтому ои почти такой же, как на оси помещения. Это повышение уровня ограничено расстояниями от стены не более 8 м, так как на больших расстояниях отраженные волны уже будут становиться помехами. По- этому уровень звука в середине помещения рас- считывают без учета отражений от стен. Это приводит к уменьшению неравномерности оз- вучения по сравнению с открытыми простран- 1 Исключение составляют рупорные громкоговорители, входящие в акустические системы. ствами. Если стены сильно заглушены, то тог- да никакой поправки брать не следует. Пример. Найти высоту подвеса звуковой колонки над озвучиваемой плоскостью для ев = 0,97 и расстояния колонки от задней стены х0 = 20 м, если средний коэффициент отражения от нее (1—0,4) = 0,6, где 0,4 — средний коэффициент поглощения задней сте- ны. Имеем Лк.с = 0,7-20 У(1 - 0,97“) =3,4 м. Если отражения от задней стены нет, то высо- ту следует брать Лк.с = 3,4-1,6 = 5,4 м. Для коэффициента отражения 0,6 увеличе- ние уровня получается у задней стены на 10 1g 1,6 = 2 дБ, поэтому неравномерность озвучения будет ДЕ = 10 1g (2 ев)—2. Если ев •= 0,97, то неравномерность будет менее 1 дБ. Сосредоточенные системы в виде звуковых люстр (несколько диффузорных громкоговори- телей или маломощных звуковых колонок, располагаемых веером) применяют для озву- чения различного рода помещений, где слуша- тели в основном расположены вокруг центра помещения (например, залы «круглого стола»). Такие люстры не имеют направленности по го- ризонтали и представляют собой своего рода радиальный громкоговоритель. Если исполь- зуют диффузорные громкоговорители, то вслед- ствие их низкой направленности уровень звука в каждый точке помещения будет определяться совместным действием всех громкоговорите- лей. Для звуковых колонок, входящих в лю- стру и имеющих угол изучения не более 60°, можно считать их излучение только в свою зо- ну, а на стыках зон добавлять 3 дБ. Расчет поля ведут методом координат *. 8.7. РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ ОЗВУЧЕНИЯ Распределенные системы делятся на линей- ные и поверхностные. Линейное расположе- ние громкоговорителей называют цепочкой, а поверхностное — решеткой. Распределенные системы в помещении применяют в виде на- стенных (рис. 8.14, а и б), потолочных цепочек (рис. 8.14, в и г), а также в виде потолочных ре- шеток из громкоговорителей (рис. 8.14, б). Кроме того, применяют кресельные системы из громкоговорителей или телефонов. Распре- деленные системы широко применяют, когда нет необходимости в локализации первичного источника звука, т. е. когда его нет в помеще- нии, или для речевых информационных пере- дач, так как в этом случае локализация источ- ника звука необязательна. В распределенных системах используют диффузорные громкоговорители или звуковые колонки. Применение рупорных громкоговори- телей в распределенных системах даже для 1 См. программы в разд. 12. 2IJ
ЬЗвучениЯ открытых пространств нерациональ- но, а для помещений — тем более, так как они слишком мощны для таких систем. При расчетах звукового поля с примене- нием диффузорных громкоговорителей счита- ют их ненаправленными, что верно только для частот ниже 1000 Гц. Расчеты для диапазона свыше 1000 Гц следует вести, как для звуковых колонок, имеющих одинаковую направлен- ность в вертикальной и в горизонтальной пло- скостях, с эксцентриситетом диаграмм направ- ленности, как у колонки в горизонтальной плоскости. Колонку для этого следует брать с громкоговорителями, близкими к расчитывае- мым. Для бесконечной прямолинейной цепочки из п диффузорных громкоговорителей с шагом цепочки d и высотой подвеса йц над озвучивае- мой поверхностью (см. рис. 8 14, а) уже на расстоянии г > 0,6 d от цепочки громкогово- рителей фронт волны получается практически цилиндрическим. Звуковое давление, создавае- мое цепочкой на расстоянии г (в пределах меж- ду nd и 0,6 d), определяется формулой р2х = = 2 p-Jrd, где г = -j- Нц ; pt — звуко- вое давление на расстоянии 1 м от диффузор- ного громкоговорителя; х — координата точ- ки (см. рис. 8.14, а). Для г d или г » nd волна получается сферической и расчеты ве- дут по формулам рг1 = pYr, или ртп — пр^г. Рис. 8.14. Озвучение помещений распределенными системами: а — одна настенная цепочка; б — две настенные цепочки; в — одна потолочная цепочка; г — две потолочные цепочки; д—потолочная решетка 212
Неравномерность озвучения в пределах озвучиваемой плоскости по ее ширине опреде- ляют из соотношения между высотой подвеса цепочки Нц и расстоянием цепочки от удален- ного слушателя т е. ДБВ= 10 1g (ттаж//1ц) = 5 lg [1 + (6ц/Лц)2]. Эту неравномерность можно найти по кривой 1 иа рис. 8.15. Пример. Цепочка подвешена на боковой стене на высоте 4 м над полом (слушатели си- дят, поэтому высота подвеса над озвучиваемой плоскостью равна 3 м), расстояние цепочки до противоположной стены равно 6 м, найти неравномерность озвучения при условии сла- бого отражения от стен Имеем ДБВ = = 5 lg (1 + 62/32) = 3,5 дБ. Если задано, что неравномерность озву- чения должна быть не более 3 дБ, то по кривой 1 на рис. 8.15 находим, что отношение высоты подвеса к ширине помещения должно быть не менее 0,58, т е высота подвеса цепочки должна быть не менее hn — 0,58-6= 3,5 м. Неравномерность озвучения в продоль- ном направлении (по длине помещения) бу- дет наибольшей под цепочкой громкогово- рителей. Она определяется по формуле ДБ/ = — 20 lg cth (л/Гц/d). Так как шаг цепочки обыч- но берут из условия получения цилиндриче- ской волны по формуле d я; 1,6 йц, то для это- го условия ДБ, «а 0,4 дБ Пример. Для данных предыдущего при- мера (Лц = 3,5 м) найдем шаг цепочки d = = 3,5-1,6=5,6 м. Если коэффициент отражения от противо- положной стеиы (по отношению к цепочке) не менее 0,75 и расстояние от нее до цепочки не более 8 м, то считают, что в помещении есть две цепочки, почти одинаковые по развиваемому звуковому давлению и расположенные на про- тивоположных стенах. В этом случае расчет ведут по формулам для двух цепочек. Для двух цепочек (см рис. 8.14, б), рас- положенных на параллельных боковых сте- нах, при расстоянии между цепочками 6Ц, высоте подвеса над озвучиваемой плоскостью Лц и шаге цепочки d звуковое давление в точ- ках на озвучиваемой плоскости определится из формулы ЗД Г 1 + I d | У (ьц-*)*+>% где х — расстояние рассматриваемой точки от первой цепочки; р± — звуковое давление, создаваемое одним диффузорным громкогово- рителем на расстоянии 1 м от излучателя. Если высота подвеса цепочки не превосхо- дит 0,5 бц, то максимальный уровень получа- ется под цепочками, а минимальный — на Рис. 8.15. Зависимость неравиомериости озву- чения от высоты подвеса цепочки Иц (решет- ки йр) над озвучиваемой плоскостью: / — одна цепочка на боковой стене (Ьц — расстоя- ние цепочки от противоположной стены); 2 — две цепочки на боковых параллельных стенах (du — рас- стояние между цепочками); 3 — потолочная решет- ка (d— шаг решетки) средней оси помещения. Звуковое давление оп- ределяется из формулы W РЧ <>,25б2. В этом случае неравномерность озвучения по ширине помещения ЛБ= 10 1g 0,5 J_______ (£ц/Лц)2 На рис. 8.15 приведена эта зависимость (кривая 2). Из нее следует, что если высота подвеса цепочки над озвучиваемой плоскостью не менее 0,3 6Ц, то неравномерность озвучения будет меньше 1 дБ Для неравномерности оз- вучения в продольном направлении зависи- мость остается той же, что и для одной цепоч- ки, поэтому шаг цепочки d = 1,6 8ц. Пример. На боковых стенах должны быть подвешены две цепочки, расстояние между сте- нами 12 м. Определить высоту подвеса и шаг цепочки для неравномерности озвучения не более 1 дБ. Высоту подвеса берем Лц =0,3-12= = 3,6 м (над полом она будет 4,6 м), шаг це- почки d = 1,6-3,6 = 5,76 м Положим, что высота помещения составляет только 4 м, поэтому отношение ЛЦ/6Ц = 3/12= 0,25. Из рис 8.15 по кривой 2 находим, что неравно- мерность озвучения в поперечном направле- нии 1,5 дБ. Для такой высоты подвеса цепочки шаг цепочки следует брать d = 1,6-3 = 4,8 м. Для тех же данных (Лк = 3,6 м) определим минимальный уровень при использовании диф- фузорных громкоговорителей, если громко- 213
говоритель развивает I Па на расстоянии 1 м. Получаем р^п = 4.Р/(4,8-1/ЗЧ^) = 0,124, pmln = = 0,35 Па, а уровень Lmin = 10 lg 0,124 F94 = 84,9 дБ. Следует также учитывать, что из-за отра- жения от стеи уровень может увеличиться на 2...3 дБ. Для цепочки из звуковых колонок звуко- вое давление определяется аналогично случаю ненаправленных громкоговорителей с уче- том эксцентриситетов диаграммы направлен- ности в продольной и поперечной плоско- стях, проходящих через ось излучателя ев и ег: d V + ' Здесь и и w — координаты точки на озвучива- емой поверхности для системы координат, при- вязанной к характеристике направленности звуковой колонки, т. е. ось координат и на- правлена по оси звуковой колонки, ось и> обыч- но находится в вертикальной плоскости, про- ходящей через ось колонки. Координата v не участвует, так как рассматривается волна цилиндрической формы. Для помещений с па- раллельными боковыми стенами оси колонок располагают перпендикулярно боковой стене и направляют на слушателей, сидящих у про- тивоположной стены. Для помещений с расхо- дящимися стенами расчеты ведут для каждой колонки в отдельности с последующим сумми- рованием интенсивностей в каждой точке. Для перехода к координатам и, w, от координат х и z используют следующие формулы: u = xcosa + (ft—z) sina; tp = x sin a— (ft— z) cos a, где ft — координата центра колонки; a — угол наклона оси колонки к горизонтали, определяемый из формулы: tg a = (ft — — ftr.c)/xn = fty.r//; ftr.c — высота центра колонки над головами удаленных слушате- лей: х0 — расстояние от центра колонки до удаленных слушателей по горизонтали; fty.c — вертикальная координата удаленной точки озвучиваемой поверхности. Для получения неравномерности озвучения в поперечном направлении не более 3 дБ берут высоту подвеса цепочки = b где b — расстояние цепочки от противополож- ной стены; d = l,6ftn’|/1 —Ч — шаг чеп04' ки. Пример. Рассчитать звуковое поле для це- почки из звуковых колонок, имеющих характе- ристику направленности, определяемую экс- центриситетами ев = 0,97 и ег = 0,9. Боковые стены параллельны друг другу. Расстояние между ними 12 м. Звуковые колонки располо- жены на одной боковой стене. Высота подвеса ft4= 12 У(1—0,972)/(2.0,97—1) =3м (т. е. 4 м от уровня поля); шаг цепочки d = = 1.6-ЗУ1— 0,92 = 2 м. Если звуковая колонка развивает звуковое давление (на расстоянии 1 м от нее), равное 4 Па, то в точке с координатами и и w имеем 2-42 У|—0,92 р2 =---- ~ = 2 Уи2 + о>2/(| — 0,972) __________3,04_______ Уи2 + щ2/(1—0.972) ’ Угол подвеса колонки определится из ра- венства tg a = 3'12 = 0,25, sin a = 0,243 , cos a = 0,97. Определяем координаты и и w для z = 1 и х = 0; 3; 6; 9 и 12 м. Уравне- ния для перехода от х и у. и = 0,97х + (4—1)-0,243; w = 0,243 х — (4—1)-0,97. Расчет сводим в табл. 8.8. Таблица 8.8. Результаты расчета звукового поля X, м к, м ш, м р*, Па* L. дБ" 0 0.729 —2,91 0,476 90.8 3 3,64 —2,18 0,590 91,8 6 6,55 — 1,45 0,852 93,3 9 9,46 —0,72 0,650 92,1 12 12,37 0 0,462 90.6 1 L==10 lg р’+94; At—93.3—90.5-2,7 дБ. Для двух цепочек, расположенных вдоль боковых стен помещения, оси колонок направ- ляют на удаленных слушателей, т. е. слушате- лей, сидящих на продольной оси помещения. Тогда минимальные уровни поля увеличива- ются на 3 дБ. При сложной системе располо- жения колонок расчет ведут методом координат и затем для каждой точки поля суммируют квадраты звуковых давлений от каждой колон- ки. Потолочные цепочки из диффузорных гром- коговорителей рассматриваются, как и настен- ные. Только для них высота подвеса задана (см. рис. 8.14, в и г), и координаты х отсчиты- вают от проекции цепочки на пол. Если при- меняют звуковые колонки, расположенные на потолке, то расчет ведется по методу коорди- нат. Потолочные решетки (см. рис. 8.14, д) создают плоскую волну иа расстоянии г >0,5 d от решетки. Звуковое давление, развиваемое решеткой из п ненаправленных громкогово- рителей с шагом d, определяется по формуле р2 = innp2/S, где Pi — звуковое давление, создаваемое одним громкоговорителем на рас- стоянии 1 м от него; S = d2 — обслуживае- 214
Мая площадь (под решеткой). Иногда шаг ре- шетки по длине и ширине помещения берут разный, тогда S = Неравномерность озвучения для решетки определяется по кривой 3 на рис. 8.15. Одну настенную цепочку диффузорных громкоговорителей применяют, если ширина помещения не превосходит 4 ... 6 м. При шири- не помещения 6 .. 12 м применяют две цепоч- ки из таких же громкоговорителей. В помеще- ниях шириной 10 ... 15 м применяют одну, а шириной 12 ... 20 м —две настенных цепочки из звуковых колонок или, что лучше, одну цепочку, расположенную на передней стене. При низком потолке предпочтение оказывают потолочным цепочкам, а при очень большой ширине потолка применяют потолочную ре- шетку или кресельную систему. Одна пото- лочная решетка равноценна двум настенным, подвешенным под потолком. Во всех случаях исходят из возможно меньшего акустического отношения в помещении, возможно меньшей неравномерности озвучения и архитекутуриых требований. Применительно к открытому пространству распределенные системы имеют лучшую лока- лизацию звукового поля, чем сосредоточен- ные, но в них совершенно нет локализации первичного источника звука, так как ои при- ходит с разных направлений. 8.8. ЗВУКОУСИЛЕНИЕ Назначение систем звукоусиления заключа- ется в том, чтобы усилить действие первич- ного источника звука (оратора, лектора, со- листа, музыкального ансамбля и т.п.) в тех случаях, когда из-за больших размеров озву- чиваемой поверхности или из-за недостаточной мощности этого источника звука уровень поля на местах слушателей получается ниже тре- буемого значения. Но даже при достаточной мощности первичного источника звука усиле- ние необходимо, если объем помещения более 2000 м3 или расстояние от удаленного слушате- ля до первичного источника более 25 м. Система звукоусиления включает в себя систему озвучения, но в системе звукоусиле- ния первичный источник звука находится в пределах озвучиваемого пространства, и по- этому микрофоны оказываются в поле действия громкоговорителей А это приводит к появле- нию акустической обратной связи по цепи: громкоговоритель — помещение (или откры- тое пространство) — микрофон — усилитель— громкоговоритель. Поэтому все требования, предъявляемые к системам озвучения, имеют силу и в отношении систем звукоусиления, но с учетом близости первичного источника звука к слушателям и наличия обратной акустической связи. Дополнительным требованием для систем звукоусиления является необходимость лока- лизации вторичного источника звука, так как слуховое ощущение местонахождения вирту- ального (кажущегося) источника звука опре- деляется суммарным действием первичного и вторичного источников звука. В том случае, когда слушатель видит первичный источник звука, наилучшее восприятие звука получает- ся при совпадении зрительного образа со слу- ховым. Этот показатель очень важен для музы- ки, поэтому при передаче музыкальных про- грамм стремятся к совмещению этих образов. Задача звукоусилительной системы для пе- редачи художественных программ заключается в том, чтобы громкоговорители создавали уровень поля на местах слушателей не менее того, который получается у слушателя, нахо- дящегося на оптимальном расстоянии от пер- вичного источника звука (рис. 8.16) т. е. в ти- повых условиях слушания (гм — 2,3 м; гс = = 10 ...12 м) система должна создавать мини- мальный уровень поля не менее Lm|n — — — (12 ...16), где £м — уровень у микрофона, гм — расстояние исполнителя от микрофона. Разность уровней в точке с минимальным уровнем поля и у микрофона называют индек- сом передачи тракта микрофон — удаленный слушатель (или просто индексом тракта), т. е. Qm-c = ^-mln — LM. Оптимальный индекс тракта для музыкаль- ных передач QM.C = —(12 ... 16) дБ. Для речевых передач при определении индексов тракта исходят из получения полной понятно- сти речи в точках с минимальным уровнем поля с учетом уровней шумов в этих точках. Но для случая низких уровней шумов индекс тракта можно определить так же, как и для музыкальных передач, в этом случае i-mm (10 ... 14) дБ. Заметим, что эта величина индекса ориентиро- вочная. При звукоусилении сольного пения необ- ходимый индекс передачи следует выбирать, исходя из норм, приведенных для речевых пе- редач, хотя некоторые певцы подносят мик- рофон к самому рту, и поэтому величина тре- буемого индекса в этих условиях получается меньше, чем для речевых программ. При звукоусилении, как правило, нет необ- ходимости в создании громкоговорителями уровней поля вблизи первичного источника звука таких же, как для удаленных участков озвучиваемой поверхности, поэтому при рас- чете звуковых полей эти участки обычно ис- ключают из рассмотрения или допускают для Рнс. 8.16. Иллюстрация системы звукоусиле- ния 215
_______I I I 1 I_____________________________ 0 1 2 3 4 5 n Рис. 8.17 Частотная характеристика тракта звукоусиления: а — без обратной связи; б — с обратной связью, близкой к самовозбуждению них снижение уровня по отношению к удален- ной части помещения или пространства. Нап- ример, при звукоусилении с помощью рупор- ного громкоговорителя его устанавливают или в плоскости микрофонов, или немного впереди ее. Это создает зону с пониженным уровнем по- ля у микрофона, озвучиваемую непосредствен- но первичным источником звука. Ранее был дан пример расчета поля с рупорным громкого- ворителем, и там была определена необслужи- ваемая зона до 1,8 м от громкоговорителя. При звукоусилении со звуковыми колонками для этой же цели их располагают по первому варианту (см. рис. 8.8, а), т. е. пониженным уровнем под колонками. В этом случае высота подвеса f (!—ев) (И-Ч/Лр) V 2е2-(14-х1/х0) ’ где _________*осв___________ Х1~1+(|-е=) (х0/Л„.с)а — расстояние, не обслуживаемое первичным источником звука; ев — эксцентриситет диа- граммы направленности в вертикальной плоскости. Пример. Звуковая колонка, имеющая ев= = 0,97, должна быть подвешена на такой вы- Рис. 8.18. Иллюстрация обратной связи по прямому звуку соте над озвучиваемой плоскостью, чтобы ие" обслуживаемая зона была не более 5 м при длине зала 25 м. Имеем ^н.с — 25 [ (1 — 0,972) (14-5/25) У 2-0,972—(14-5/25) “ а если бы эта колонка подвешивалась для оз- вучения, то высота подвеса была бы . — . / 1 —0,972 Л« с-25|/ 2 0,97»—1 =6’5м т е на 1,6 м ниже. Из-за обратной связи возможно появление самовозбуждения всей системы звукоусиления. Условие самовозбуждения системы звукоуси- ления — равенство единице модуля коэффи- циента передачи | К | по всей петле от выхода усилителя через громкоговорители, помещение (или открытое пространство), микрофоны, уси- литель до его выхода. Самовозбуждение воз- никает на одном из пиков частотной характе ристнки тракта. Перед началом самовозбужде ния прослушивается позванивание на одной из наиболее вероятных частот самовозбуждения, получается так называемая регенеративная ре- верберация. В таких условиях частотная ха- рактеристика тракта становится еще более неравномерной (рис. 8.17, на котором приведе- ны частотные характеристики без обратной связи — кривая а и при связи, близкой к са- мовозбуждению [коэффициент обратной связи Р = 0,5] — кривая б). В помещении обратная связь получается двух типов по прямому звуку и по диффуз ному, а в открытом простраистве она образует- ся только по прямому звуку. Обратная связь по прямому звуку показа- на на рис. 8.18. В этом случае самовозбужде- ние возможно при условии, что уровень LM в точке нахождения микрофона, действуя через микрофон, усилитель и систему громкоговори телей, создает в той же точке с учетом направ- ленности микрофона уровень не меньше LM Для одиночного громкоговорителя уровень, создаваемый громкоговорителем в точке мик- рофона: ^г.м ~ — 10 1g гг.м + 20 1g Rr (0Г), где Lx — уровень, развиваемый громкоговори- телем иа оси на расстоянии 1 м; Rr (0г) — ко- эффициент направленности громкоговорителя, определяемый из его диаграммы направленно- сти, гг м — расстояние между громкоговорите- лем и микрофоном. Применяемая для расчетов диаграмма направлениости для рупорного громкоговорителя (в пределах 6Г = ±70°) имеет вид Rr (6Г) = (1 — е2) cos 0Г/ (1 — е2 cos2 6Г), где е — эксцентриситет в соответствующей плоскости, 6Г — угол между осью громкого- ворителя и заданным направлением, а для звуковой колонки (в пределах 6Г = ±90с) Rr (6Г) = "1/(1—е2)/(1—е2 cos2 0Г). 216
Для сложных громкоговорящих систем этот уровень Lr.M вычисляют по методу координат (см. § 8.7) Для создания устойчивой работы системы звукоусиления индекс тракта берут ниже критического значения примерно на 12 дБ. из них 6 дБ — запас на неравномер- ность звукового поля, так как при запасе меньше 6 дБ уже начинает прослушиваться ре- генеративная реверберация. Поэтому предель- ный индекс тракта Q1Ip </м (0M) f-ALCM —12, где ДЕС.М = £mjn— Ег.м — разность уровней, создаваемых громкоговорителями в точке ми- нимального уровня поля Лт1ц и у микрофона ^-г м> Чм (®м) = 1g 7?м (0м) — направ- ленность микрофона под углом 6М. Пример. Определить предельный индекс тракта для кардиоидного микрофона, если угол между осью микрофона н направлением на рупорный громкоговоритель 100°. ег 0,77, расстояние между микрофоном и громкогово- рителем 5 м, а между громкоговорителем и удаленным слушателем 50 м при уровне (на расстоянии I м от центра громкоговорителя), равном 124 дБ (т. е. при звуковом давлении 31,6 Па) (см. § 1.4) Уровень в удаленной точке (гшах = 50 м) Lmin = 124—20 1g 50 = 90 дБ, а в точке мик- рофона Есм = 124 — 20 lg 5 20 lg 0,15= = 93, 5 дБ, так как гг.м=5 м, а направленность громкоговорителя под углом 0г - 70г и экс- центриситете ег 0,77 Rr (Нг) - (I - O.772) cos 70° (I — — 0,77»cos2 70°) 0,15. Направленность микрофона под углом t)M ~ 70‘ q (Нм) — 20lg0,5(l i-cos70°) =3,5дБ. Предельный индекс тракта Qnp — 3,54-90— —93,5—12 —12 дБ Если диффузная составляющая поля по уровню больше прямого звука, то самовозбуж- дение наступает, когда диффузная составляю- щая, воздействуя на микрофон, создает с по- мощью громкоговорителей диффузное поле с таким же уровнем (рис. 8.19). В этом случае предельный индекс тракта (с запасом на устой- чивость работы) Qllp <7м.диф ^^-/jinax — 12, где </м.дцф — индекс направленности микрофона для диффузного звука; mai= максимальное значение акустического отно- шения, дБ Для достижения более устойчивой работы необходимо стремиться к уменьшению макси- мального значения акустического отношения и к увеличению направленности микрофона. В тех случаях, когда величина предельного индекса тракта по диффузному звуку недоста- точна для получения требуемого уровня зву- ка, прибегают к заглушению поверхностей около микрофона с тем, чтобы уменьшить от- ражения от них и, следовательно, понизить уровень диффузного звука около микрофона. Удается снизить уровень его на 6 . 12 дБ. Пример. Определить предельный индекс тракта по диффузному звуку, если применить Рис. 8.19 Иллюстрация обратной связи по диффузному звуку микрофон кардиоидного типа, для которого <7М. диф = 4,8 дБ, а максимальное значение аку- стического отношения = 5 дБ Имеем <?пр = 4,8—5—12== —12,2 дБ. На предельный индекс тракта существенно влияет направленность микрофона, поэтому при звукоусилении выбирают микрофон с воз- можно большим значением индекса направлен- ности. Предельный индекс тракта зависит от частоты, поэтому он определяется для всего передаваемого диапазона частот и во всем ди- апазоне он не должен превышать фактический индекс тракта Заметим, что, как правило, в помещениях предельный индекс тракта по диффузному звуку получается меньше, чем по прямому. Величина акустического отношения 1 зави- сит от вида системы озвучения и от направлен- ности громкоговорителей. Так, для одиноч- ного громкоговорителя максимальное акусти- ческое отношение на оси 16л/2 (1— аср) /?шах — .... СХс р ““Г где аср S — общее поглощение; Qr — коэф- фициент осевой концентрации (см. табл. 8.9); / — расстояние от громкоговорителя Для распределенных систем из ненаправ- ленных громкоговорителей /?тах = 8//> (1 —агр) /аср S, где / и b — длина и ширина помещения. Для распределенной системы из звуковых колонок Ящах= 12,8/b (I —аср) ) 1— е|/аср5, где ев — эксцентриситет характеристик на- правленности в вертикальной плоскости. Для решеток и кресельных систем /?тах — 2Sca (I - осср) /ссГр 5, где 5С1 — поверхность, занятая слушателями. Сравнивая их, видим, что наименьшее аку- стическое отношение получается для кресель- ной системы, наибольшее — для сосредото- ченной системы Поэтому в тех случаях, когда нет необходимости в совмещении зрительного образа со слуховым, используют распределен- Подробные выводы см в |8 3] 217
Таблица 8.9. Коэффициенты концентрации для громкоговорителей Громкоговорители Значение Лг в зависимости от частоты. Гн 250 500 1000 2000 4000 6000 Звуковые колонки 2 КЗ 8 КЗ 10 КЗ 1 и 2 25 КЗ 1 и 2 50 КЗ 1 и 2 100 КЗ 1 и 2 25 КЗ 5 и 6 25 КЗ 4 и 50 КЗ 6 50 КЗ 3 2,5 4,3 6,9 9,9 9,9 10.1 9.6 11,3 15,6 4,0 6,6 10,5 11.2 12,2 12,7 11,8 14,0 18.5 5.0 9,0 14,3 16.7 16,8 17,0 15,7 17,6 18.5 5,6 10,0 15,8 16,8 17,0 17,0 16,5 17,6 18,5 6,5 10,6 16,6 16,8 17,0 17,0 16,7 17,6 18.5 6,8 11,0 16,9 16,9 17.0 17,0 17,7 17,6 18.5 Рупорные 25-ГРД | 50-ГРД 100-ГРД J 19-ГРД Р-100 15 8 18 17 5 9 21 19,5 10 25 22 11,5 31 25 13 37.5 ную систему озвучения, дающую наименьшие значения акустического отношения. Пример. Найдем максимальные значения акустического отношения для одного и того же помещения: х0 = 20 м, b = 10 м, аср = 0,25, S = 700 м2 при использовании разных систем: для одиночного громкоговорителя (Q,,—10) 16л-202 (1—0,25) 7?тах „ „„ „„„ 8,63; 0,25-700 для распределенной системы из диффузорных громкоговорителей /?гпах 8-20-10 (1—0,25) --------'-------- - 6,86; 0,25-700 0,97) из звуковых колонок (ен 12,8-20-10 (1—0,25) Vi —0.972 Smax = 0,25-700 2,67; для потолочной системы 2-20-10 (1—0,25) «т»х » Л • ,72. 0,25-700 При звукоусилении с помощью индивиду- альных телефонов (что практикуется как при слушании в залах с повышенным уровнем аку- стического шума, так и при переводах речи ора- Рис. 8.20. Показ обратной акустической связи в дуплексной громкоговорящей связи тора на другие языки) уровень звука у слу- шателя определяется исходя из необходимости перекрытия уровня шумов в зале. Можно счи- тать, что телефоны не создают помех для слу- шателей, сидящих рядом. 8.9. ГРОМКОГОВОРЯЩАЯ СВЯЗЬ Аппаратура громкоговорящей связи делит- ся на многоцелевую, только для громкоговоря- щей связи, диспетчерскую и электромегафо- ны. Когда источник звука неподвижен1, поль- зуются микрофонами стационарного типа (с подставками н скрытой кабельной подводкой к усилительному устройству) Но в ряде слу- чаев источник звука (лектор, гид, эстрадный исполнитель и т. п.) должен перемещаться па большие расстояния (до десятков метров и бо- лее). В этих случаях микрофон должен быть связан с усилительным устройством гибкой связью, допускающей свободное перемещение источника звука. Если это перемещение неве- лико, то можно использовать переносный мик- рофон с гибким легким кабелем. Однако такой способ очень неудобен, так как руки лектора часто должны быть свободными. В таких усло- виях применяют или петличный микрофон, или микрофон ДЭМШ, укрепленный на специаль- ном оголовье. Неудобство этих способов заклю- чается и в том, что кабель путается под ногами, его надо все время перемещать. Поэтому иногда в подобных случаях (а при больших перемеще- ниях всегда) применяют радиомикрофон. Радиомикрофоны есть двух видов: с радио- связью н с индуктивной связью. В первом слу- чае микрофон (обычно петличный) связан с 1 При передаче из театров применяют систему из нескольких микрофонов, переклю- чаемых по ходу действия. 218
миниатюрным радиопередатчиком. Этот пере- датчик переносится лектором (гидом и т. п.) в кармане или на специальном ремне. К громкоговорящей связи относятся в об- щем случае и радиотелефонная громко- говорящая связь, и диспетчерские системы (рис. 8.20) дуплексного типа В этих случаях обратная связь возникает преимущественно по прямому звуку, так как уровень отражен- ного звука невелик, но при большом удалении громкоговорителя от абонента и при примене- нии ненаправленного микрофона возникает и обратная связь по диффузному звуку. Приме- няют меры борьбы с возникновением генера- ции, аналогичные предыдущим, в частности широко применяют микрофоны типа ДЭМШ, но, кроме тою, используют различного рода мостиковые гхемы (рис. 8.21, и), а также схемы переключения микрофонов, действующие от голоса (рис. 8.21. б), так как не всегда возмож- но использование микрофона типа ДЭМШ из-за необходимости близкого расположения его ко рту говорящего. В качестве переключающих систем исполь- зуют автоматические регуляторы уровня с ма- лой постоянной времени срабатывания (на 5 ... 10 мс) и большим временем удержания (до 0.5 с). Такие устройства срабатывают толь- ко от громких звуков, так как отраженные звуки в помещении не дают возможности полу- чать срабатывание на слабых звуках. Электромегафоны являются переносными устройствами для усиления речи Электро- мегафоны состоят из шумостойкого микрофона (обычного типа ДЭМШ), усилителя и рупор- ного громкоговорителя мощностью в несколь- ко ватт. Микрофон укрепляют на тыльной час- ти кожуха (рис. 8.22) и располагают так, чтобы ось громкоговорителя находилась в плоско- сти наименьшей чувствительности микрофона. Электромегафон держат за ручку так, чтобы микрофон находился около угла рта. Усили- тель вместе с питанием находится в футляре, носимом на плечевом ремне. Дальность дей- ствия электромегафона доходит до 400 м. Его также используют в помещениях и в автобу- сах. Микрофон может быть отнесен на расстоя- ние до 8 м с помощью удлинительного кабеля. Ниже приводятся данные некоторых электро- мегафонов и устройств громкоговорящей свя- зи. Передатчик работает на УКВ. На входе усилительного устройства есть радиоприем- ник. В § 5.6 приведены данные радиомикрофо- на РМ-7. Применение радиосвязи не всегда возможно из-за взаимных помех, поэтому в таких случа- Рис. 8.22. Внешний вид электромегафона ях пользуются индуктивной связью между микрофоном и усилительным устройством. Для этого к выходу переносного микрофон- ного усилителя подключают специальную ра- мочную антенну НЧ, переносимую лектором и являющуюся как бы первичной обмоткой трансформатора. Под полом, на стенах помеще- ния или под потолком располагается другая рамочная антенна, являющаяся вторичной об- моткой трансформатора. Эта антенна подклю- чена ко входу усилительного устройства. Та- кая система рамок располагается во всех поме- щениях, в которых может находиться гид. Технические данные электромегафана 5ПЭМ-1 Максимальная выход- ная мощность на ча- стоте 1000 Гц, Вт . . Частотная характеристи- ка в диапазоне 400... 500 Гц Масса, кг............. Габаритные размеры, мм Питание............... 5 Время работы от одного комплекта, ч . Г ромкоговорнтель Микрофон Расстояние, перекрыва емое в типовых шумах на улице Равномерная 1.9 300X193X274 8 элементов «Салют 1» или А-343 («Марс») 15 5ГРД-1 ДЭМШ-1А 150..200 м Предназначен для уличного оповещения. Рис. 8 21 Схема включения громкоговорящей связи через дифференциальный трансфер матор в двухпроводной линии (о) и схеме устранения об- ратной связи при автоматиче- ском запирании, срабатываю- щим от голоса (б) а) в) 219
Технические данные электромегафона переносного ЭМ-2 Технические данные аппаратуры для командно-диспетчерской связи «Радиуса Максимальная выход ная мощность, В-А . Частотная характери- стика в диапазоне 400 ..3000 Гц . . . Масса с источником пи- тания, не более, кг . Габаритные размеры, мм 4 Равномерная 2.8 355X210X259 Питание от источника постоянного тока на- пряжением 12 В с потреблением тока не более 0,8 А или от шести батарей КБС-Х-0,70 Время работы, ч, не бо- лее ................... Г ромкоговоритель Микрофон . . . . . Расстояние в шумах с небольшим уровнем доходит до 9 5ГРД-1 ДЭМШ-1А 200 309 м Используется на открытом воздухе и в больших помещениях. Громкоговорящая и те лефопная связь Неравномерность, дБ для двухпроводных линий ................ для четырехпроводных (с подъемом ВЧ) Питание............... Потребление тока прн 20 абонентах громко говорящей связи. А, не ботее Громкоговорители Микрофоны . С абонентами ЦБ, АТС, МБ 300...3000 3 10 220 В 0,35 Типа ГР-14 МДО-1, МФР I и МД-45 Предназначен для связи руководителя с 5 20 абонентами как внутренних, так и внеш- них, используется в учреждениях, па пред- приятиях и в организациях. Кроме перечисленной аппаратуры, выпуска ют аппаратуру производственной (симплекс ной) громкоговорящей связи в условиях высо ких уровней шумов (до 100 дБ) —ПГС-71. РАЗДЕЛ 9 ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЗВУКА 9.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ ЗАПИСИ ЗВУКА ТЕРМИНЫ, ОТНОСЯЩИЕСЯ К ЗАПИСИ ЗВУКА Для одинакового понимания явлений, от- носящихся к записи и воспроизведению инфор- мации, в том числе звуковой, термины и опре- деления. относящиеся к этой области знания, стандартизованы. Ниже даются определения некоторых терминов, используемых в дальней- шем изложении, по ГОСТ 13699—80. Прежде всего это касается терминов, характеризую- щих процессы записи, воспроизведения и сти- рания. Дифференцированы термины, определя- ющие процесс и результат записи. Под про- цессом записи понимают преобразование сигна- лов в пространственное изменение состояния или формы некоторого физического тела (но- сителя записи} с целью сохранения в нем ин- формации для последующего ее извлечения (получения). Информацию, сохраняемую в но- сителе записи в результате процесса записи, называют записью. Однако в тех случаях, когда смешивания понятий процесса и результата за- писи произойти не может, допустимо для обо- значения обоих понятий пользоваться терми- ном «запись», например «звукозапись» Носи- тель записи, содержащий информацию, полу- ченную в процессе записи, называют сигнало- граммой (при записи звука — фонограммой). Процесс получения информации от сигнало- граммы (фонограммы) называют воспроизведе- нием. Наконец, процесс полного или частично- го уничтожения записи называют стиранием Следующие три термина определяют про- цессы взаимодействия записывающих, вое производящих н стирающих устройств с носи- телем записи. Записывающий элемент — это тело или силовое поле, посредством которого сигналы информации воздействуют на носитель записи. Воспроизводящий элемент — тело илн силовое поле, посредством которого сиг- налы информации передаются от сигналограм- мы (фонограммы) в процессе воспроизведения. Стирающий элемент - тело или силовое по ле, посредством которою осуществляется не посредственное воздействие на ограниченную область сигналограммы (фонограммы), в ре зультате чего происходит ее стирание. При механической записи записывающим элемен- том является резец рекордера, воспроизводя- щим — острие иглы звукоснимателя; при фо- тографической первым служит световой луч, образующий пишущий штрих, т. е. освещенный участок на поверхности рабочего слоя носителя записи, формируемый модулятором света, вто- рым — луч света, образующий читающий штрих, т е. освещенный участок на поверхно сти фотографической сигналограммы. При маг- 220
ниткой записи записывающий, воспроизводя- щий и стирающий элементы создаются с по мощью магнитных головок. Следующая группа терминов — способ за- писи, спосо воспроизведения, способ стирания. Под этими терминами понимают технический прием, используемый для осуществления про цессов записи, воспроизведения, стирания Термины система записи, система воспроазве дения, система стирания характеризуют сово- купность различных способов записи, воспро- изведения, стирания, имеющих общую сущ- ность основных физических процессов. При- мер система магнитной записи, воспроизведе- ния, стирания. Устройства, обеспечивающие в процессе за- писи передачу информации носителю записи, при воспроизведении — передачу записанной информации от сигналограммы (фонограммы) к выходу, называются соответственно каналом записи и каналом воспроизведения Устройство, одновременно образующее канал записи и ка нал воспроизведения, называют сквозным ка- налом. Если устройство используется в раз- ное время для образования либо канала запи- си, либо канала воспроизведения, его называ ют каналом записи-воспроизведения. Следует заметить, что термины «канал за- писи» и «канал воспроизведения» противоре- чат основополагающему ГОСТ 11515—75, в котором каналом называют весь путь (весь комплекс аппаратуры), по которому электри- ческие сигналы проходят от источника (напри мер, микрофона) до потребителя (например, громкоговорителя), а любой функционально законченный участок канала называют трак- том. Таким образом, правильнее было бы пи- сать о тракте записи и тракте воспроизведе- ния ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ЗАПИСИ ЗВУКА За столетие, прошедшее с момента воз- никновения первых идей записи звука, бы ли предложены десятки способов записи В на- стоящее время широко распространены три из них: механический, фотографический, маг- нитный. Бурно развивается запись лазерным лучом на вращающийся диск Некоторое рас- пространение получила запись звуковой ин- формации на неподвижный носитель. Наиболее распространенным способом ме- ханической записи является запись иа дисковый носитель — граммофонную пластинку. Иног- да вместо термина «механическая запись» упо- требляют словосочетание «грамзапись». Но оно не может использоваться как термин. Греческое «граммо» означает «запись». Поэто- му словосочетание «грамзапись» является тав- тологией. Процесс механической записи состоит из нескольких этапов Первичную запись ведут на диск из аморфной меди или иа дюралюмини- евый диск, покрытый лаковым слоем (так на- зываемый лаковый диск). Ранее запись произ- водили на диск из воскоподобиой смеси. За- писывающий элемент — острие резца рекор дера перемещается механизмом в радиальном направлении — от края к центру — и выре- зает в меди или лаковом слое спиральную ка- навку. Помимо поступательного перемещения в радиальном направлении резец в соответст- вии с записываемым сигналом совершает ко- лебания в горизонтальной и вертикальной пло- скостях В результате изменяются ширина и глубина канавки Этими перемещениями (ко- лебаниями) резца управляет электромеханиче- ский преобразователь — рекордер, к которому подводится электрический сигнал в форме из- менений электрического напряжения (тока), отображающих записываемый процесс С мед- ного или с лакового диска гальваническим пу- тем снимают копию, в которой углублениям канавки соответствуют выступающие борозды. Эта копия используется как матрица при прес- совании или штамповке пластмассовых грам- мофонных пластинок. Сигналы, записанные на граммофонных пластинках, воспроизводят с помощью элект- ропроигрывающих устройств (ЭПУ). В состав ЭПУ входят механизм, вращающий пластинку, и электромеханический преобразователь — звукосниматель. Звукосниматель преобразует механические колебания иглы, возникающие в результате взаимодействия с движущейся ка- навкой, в переменное электрическое напряже- ние. Механическую запись производили ранее и на цилиндрический и ленточный носитель. Но эти способы ввиду их несовершенства ие полу- чили распространения. Механическая запись обеспечивает боль- шую продольную и поперечную плотность за- писи и хорошее качество звучания. Процессы первичной записи и изготовления матриц до- вольно сложны и дороги. Однако технология изготовления пластинок в заводских услови- ях сравнительного проста, а большая стои- мость первичной записи мало сказывается иа стоимости граммофонных пластинок ввиду их больших тиражей. В качестве носителя записи при фотогра- фической записи используют светочувствитель- ный носитель — прозрачную пластмассовую основу в виде ленты, покрытую светочувстви тельным слоем. Фонограмма образуется в ре зультате фотографического процесса. Под воз- действием записываемого сигнала изменяется световой поток, попадающий на движущийся носитель. Киноленту проявляют, промывают, закрепляют, сушат. С полученного негатива снимают позитивную копию и повторяют пе- речисленные фотохимические процессы. В ре- зультате образуется фотографическая фоно- грамма. Сигнал отображается иа кинолен- те в виде прозрачной полоски переменной ширины или переменной плотности (прозрач- ности) Чтобы воспроизвести записанный сигнал, движущуюся фонограмму просвечивают пуч- ком света. Световой поток, промодулироваи- ный фотографической фонограммой, воздейст- вует на фотоэлектрический преобразователь— фотоэлемент или фотоэлектронный умножи- 221
Тель (ФйУ). В результате образуется электри- ческий ток, отображающий записанный сиг- нал. Продольная и поперечная плотность фото- графической фонограммы высока. Она зависит от разрешающей способности фотослоя кино- ленты, размера поперечного сечения (аперту- рц) светового пучка и составляет несколько сот периодов на миллиметр. К достоинствам фотографической записи от- носится также возможность и простота меха- нического монтажа. Копировать фонограм- мы можно чисто оптическим путем, без переза- писи. Копирование ведется способом оптиче- ской печати на большой скорости. Число ко- пий практически не ограничено. Однако процессы фотографической записи сложны, используемый носитель дорог. Меж- ду процессами записи и воспроизведения про- ходит большое время из-за большого числа промежуточных операций. Носитель записи не может быть использован повторно. Аппа- раты записи и воспроизведения сложны и до- роги. Все это определяет высокую стоимость фотографической фонограммы и большие экс- плуатационные расходы. Магнитную запись на движущийся ферро- магнитный носитель производят с помощью особого электромагнита — магнитной голов- ки — в обмотку которого подают ток сигнала. Магнитное поле электромагнита намагничи- вает носитель записи, в качестве которого ча- ще всего используют пластмассовую ленту, покрытую порошком окислов ферромагнитных металлов или (реже) металлическим ферромаг- нитным слоем. В ряде случаев в качестве но- сителя записи используют ферромагнитную проволоку, а также диски и цилиндры, по- крытые ферромагнитным слоем. Фонограмма получается в виде намагни. чеиных участков разной длины. Она не нуж- дается ни в каких процессах обработки и мо- жет быть воспроизведена немедленно с помо- щью устройства, аналогичного записываю- щему. Магнитное поле движущейся фонограм- мы наводит в витках обмотки воспроизводя- щего устройства — воспроизводящей магнит- ной головка — ЭДС индукции, которая отоб- ражает записанный сигнал. Магнитная запись обладает рядом техниче- ских и экономических достоинств: простотой записывающих и воспроизводящих устройств и технологических процессов, высокими пара- метрами качества, простотой, дешевизной и возможностью многократного использования носителя, длительной сохраняемостью фоно- грамм (десятки лет), стойкостью носителя к воздействию различных атмосферных условий (низких и высоких температур, высокой влаж- ности). Недостатки магнитной записи: фонограм- ма невидима, что затрудняет, а при небольших скоростях движения носителя делает механи- ческий монтаж вовсе невозможным; попереч- ная плотность записи невелика, поэтому пока- зателю она уступает плотности механической записи в 5 ... 10 раз, а оптическим способам записи — в 50 ... 100 раз. Но достоинства маг- нитной записи столь велики, что она распро- странена очень широко. Комбинацией механического и оптического- способов записи является запись лазерным лучом на так называемые компакт-диски. Запись ведут модулированным лучом лазера на вращающийся диск. Под его воздействием в материале первичного носителя образуются углубления — лунки — разной длины. Далее, как и при механической записи, получают мат- рицу. Прессованием получают копии первичной записи. Для воспроизведения также исполь- зуют луч лазера. Промодулированный свето- вой поток поступает на фотоэлектрический преобразователь. В нем вырабатывается элект- рический ток, повторяющий записанный сиг- нал. Компакт-диски обладают высокой плот- ностью записи. На диске диаметром 120 мм записывают 60-минутную программу с поло- сой до 20 кГц. ПРИМЕНЕНИЯ СПОСОБОВ ЗАПИСИ ЗВУКА Различные способы записи звука широко используют в звуковом и телевизионном веща- нии, театрально-концертной деятельности, ки- нематографии. учреждениях культуры, науке и технике, быту Основные применения звукозаписи в звуко- вом и телевизионном вещании: консервация фрагментов программ вещания, репетиционная работа, контроль действия систем вещания. Подавляющее большинство программ вещания формируют с помощью магнитных фонограмм. Вследствие высокой степени совершенства сов- ременных звукозаписывающих устройств про- грамма, построенная на магнитных фонограм- мах, практически не отличается по техниче- скому качеству от программы, основанной на передаче естественного звучания музыкаль- ных инструментов и голосов исполнителей. Магнитная звукозапись позволяет создать более совершенные в техническом и художест- венном отношении сложные программы, в ко- торых участвуют чтецы, драматические арти- сты, певцы-солисты, оркестр, хор. Непосред- ственное доброкачественное исполнение таких программ наталкивается подчас на почти не- преодолимые технические и организационные трудности. Отдельные составляющие програм- мы записывают в разное время, удобное для исполнителей, затем их соединяют между со- бой (например, в запись речи актеров вводят музыкальные иллюстрации и натурные шумы), монтируют в желаемом порядке. С помощью звукозаписи производят обмен программами между отдельными пунктами, имеющими боль- шую разницу в поясном времени. Записанные программы заранее пересылают в удаленные пункты для воспроизведения через местные ра- диовещательные станции или сети проводно- го вещания или передают по радиоканалам в в удобное для слушателей время. 222
При трансляции на большие расстояния сигналы вещательной программы искажаются из-за случайных перерывов связи, глубоких замираний и помех. В этом случае программу целиком или частями передают повторно до тех пор, пока в пункте приема не получится хоро- шее качество всей программы Запись звука широко используют на репе- тициях. Исполнителям, прослушав фонограм- му, легче исправить недостатки Таким образом, консервация программ с по- мощью звукозаписи значительно облегчает творческий труд исполнителей, избавляет их от необходимости выступать перед микрофоном в неудобное время (например, райо утром, поздно вечером, ночью), повышает качество вещательных программ, уменьшает стоимость вещаиия. Звукозапись на многие годы сохраняет звучание видных политических и обществен- ных деятелей, певцов, актеров, выступления лучших исполнительских коллективов. Пред- полагается, что в дальнейшем для формирова- ния вещательных программ помимо магнит- ной записи будут широко использоваться ком- пакт-диски. Граммофонные пластинки, магнитофонные кассеты, компакт-диски и другие массовые копии записей доносят до широких слоев на- селения лучшие произведения классической и современной музыки, литературы, драматур- гии в исполнении мастеров искусств и выдаю- щихся художественных коллективов. Грам- мофонные пластинки и магнитные фонограм- мы, содержащие записи лекций, бесед и уро- ков (например, уроков иностранных языков), способствуют повышению образовательного и культурного уровня населения. Оптические и магнитные фонограммы — не- пременная составляющая профессиональных и любительских кинофильмов. Однако первич- ная запись звука при создании кинофильмов целиком переведена на магнитную запись, что объясняется ее более высоким качеством и меиьшей стоимостью по сравнению с фотогра- фической. Магнитную звукозапись широко применя- ют как средство документации деловых пере- говоров, например для записи распоряжений диспетчеров в системах управления электро- станциями, полетами самолетов, движением поездов и т д 9.2. МЕХАНИЧЕСКАЯ ЗВУКОЗАПИСЬ ОСНОВЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЗВУКОЗАПИСИ Механическая звукозапись основана иа вырезании (или выдавливании) в материале но- сителя записи канавки с помощью записываю- щего устройства — рекордера При воспроиз- ведении по канавке движется игла воспроиз- водящего устройства — звукоснимателя. В процессе развития механической записи были предложены два основных способа моду- Рис. 9.1. Вид модулированной канавки при поперечной (а) и глубинной (б) записи ляции канавки: поперечный, при котором ре зец колеблется влево-вправо от нейтрального положения и канавка постоянной ширины приобретает извивы (рис. 9.1, а), и глубинный, при котором резец смещается вверх — вниз от нейтрального положения, вырезая канавку переменной глубины и ширины (рис. 9.1, б). Все предварительные операции по записи и монтажу фонограммы ведут с помощью маг- нитной записи. Окончательно смонтироваи- Рис. 9.2. Схема станка механической записи ную магнитную фонограмму переводят в ме- ханическую на станке механической записи (рис. 9.2). Ои имеет массивный диск (планшай- бу) 1, вращаемый двигателем 2. Рекордер 4 с помощью механизма 3 перемещается в ради- альном направлении Носитель записи 5 (мед- ный или лаковый диск) прочно закрепляется на планшайбе. Алмазный резец рекордера по- степенно перемещается в радиальном направле- нии от края диска к центру. В отсутствие сиг- нала получается канавка без извилин, немо- дулированная. В поперечном разрезе иемоду- лироваиные канавки имеют постоянную шири- ну а и глубину h (рнс. 9.3). Промежуток между Рис. 9.3. Разрез каиавки записи: положение резца (слева) и острия иглы (справа) в ка- навке 223
Рис. 9.4. Схематическое изображение движе- ния режущей грани резца 1 при записи и острия иглы 2 при воспроизведении двумя соседними канавками в называют полем, а расстояние Д между осями двух соседних канавок шагом записи. Дно канавки закругле- но, радиус закругления обозначают р, угол, образованный стенками канавки, у. Он равен 90°. При подаче на рекордер сигнала резец на- чинает колебаться и вырезать канавку слож- ной формы. Такую канавку называют моду- лированной. Записанный диск или полученная с его по- мощью пластинка вращается при воспроизве- дении с той же частотой, что и диск при запи- си. Это необходимо для того, чтобы избежать различия между частотами записанных и вос- производимых звуков или, иначе говоря, что- бы сохранить иензменной высоту тона записан- ных звуков *. После окончания записи на поверхность ла- кового диска наносят слой серебра, служащий далее токопроводом при электрохимическом процессе нанесения слоя никеля. Слой никеля достигает 0,3 ... 0,4 мм. Полученную копию (первый оригинал) осторожно отделяют от лакового диска. С первого оригинала снова электрохимическим (гальваническим) спосо- бом изготовляют несколько (до десяти) новых копий (вторых оригиналов). После отделения второго оригинала его прослушивают, как обычную граммофонную пластику. Обна- руженные дефекты устраняют гравировкой, контролируя эту работу под микроскопом. Со вторых оригиналов снимают третьи ориги- налы толщиной примерно 0,25 мм, для умень- шения износа матрицы покрывают слоем хро- ма (правда, качество фонограммы при этом ухудшается) и используют в качестве матриц при прессовании пластинок. Одной матрицей без существенного ухудшения качества прес- суют до тысячи пластинок. Материалом пла- стинок служит винилит — сополимер винил- 1 При записи широкополосных сигналов рекордером с ограниченной полосой пропус- кания изредка прибегают к искусственному приему: воспроизведение первичной фоног- раммы с магнитофона и запись лакового диска ведут с уменьшенной скоростью, от- личной от скорости воспроизведения граммо- фонной пластинки. Так, например, вели запись квадрафонических сигналов со спект- ром до 45 кГц рекордерами, предназначен- ными для записи с полосой частот до 20 кГц. хлорида с 15 % винилацетата с небольшой до бавкой размягчающих и окрашивающих ве- ществ. СПОСОБЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЗВУЧАНИЯ Длительность звучания определяется про- тяженностью участка /, занимаемого канавка- ми в радиальном направлении (протяженно- стью зоны записи), частотой (угловой скоро- стью) вращения диска л и расстоянием между осями соседних канавок (шагом записи) Д: t = ИпЬ. Выбор значений /, п и Д тесно связан с тех- нологическими параметрами пластинки, преж- де всего с ее диаметром, а также с параметра- ми, характеризующими качество звучания,— с частотным и динамическим диапазонами меха- нической фонограммы. Для увеличения длительности звучания не- обходимо увеличивать диаметр пластинки и уменьшать частоту вращения и шаг записи. Предел увеличению диаметра и, следователь- но, размера I становится двумя обстоятельст- вами. Пластинки большого диаметра громозд- ки, тяжелы и менее прочны. Чрезмерное воз- растание скорости резания на краю диска приводит к разогреву резца и заставляет его охлаждать. Уменьшение частоты вращения при сохранении неизменными амплитуды смеще- ния и, следовательно, записи приводит к эф- фекту неогибания. Пока радиус кривизны канавки г больше радиуса кривизны конца иг- лы р, игла точно следует за извилинами канав- ки (рис. 9.4, а). При уменьшении радиуса кри- визны канавки, обусловленном уменьшением частоты вращения, наступает момент, когда игла не может точно следовать за извилинами канавки, т. е. возникает пеогибание (рис.9.4,б). В результате игла начинает сильно разрушать канавку (рис. 9.4, в) и воспроизведение сиг- налов верхних частот ухудшается ввиду умень- шения амплитуды смещения, увеличения нели- нейных искажений, вызванных изменением формы канавки, и увеличения шумов разру- шенной канавки. Высказанные соображения можно подкрепить простейшими математиче- скими выкладками. При линейной зависимости координаты у от времени (у = vt, v — линейная скорость дви- жения иглы вдоль оси канавки) уравнение кривой смещения канавки относительно спи- ральной оси выражается зависимостью. х хт sin oit = хт sin (ыу/v). Радиус кривизны г связан с координатой х за- висимостью I d2x I d2 х х" г dy2 v2 dt2 v2 где х" = cPxIdf1 — колебательное ускорение. Радиус кривизны наименьший у вершин синусоидальной канавки, где колебательное 224
Ускорение имеет наибольшее амплитудное Зна- чение х"т = Шт = О>1 2Хт. Тогда, выражая линейную скорость через уг- ловую частоту вращения Q = 2 л п и радиус витка спирали R (v = Г)/?) и учитывая, что xt't = ахт, получаем rmln fl2/?2 Минимальный радиус кривизны канавки уменьшается с уменьшением частоты вращения п = й/2л и радиуса витка спирали R и с уве- личением амплитуды смещения хП1 и частоты записанных колебаний <о. Поэтому попытка увеличить время звучания путем уменьшения частоты вращения при сохранении неизмен- ными других параметров записи приводит, как уже указывалось выше, к ухудшению вос- произведения составляющих верхних частот. Рассмотрим возможность увеличения вре- мени звучания посредством уменьшения шага записи А. Наименьший допустимый шаг запи- си определяется наибольшей амплитудой сме- щения хт. При записи синусоидального коле- бания колебательная скорость v — х’ — — dxldt связана со смещением зависимостью х‘ =dx/dt - d (хт sin at) Idt = = axm cos at = х,'п cos at, причем хД — ч>хт. Отсюда хт— х'т1а. Очевидно, что при постоянстве амплитуд колебательной скорости амплитуды смещения возрастают с уменьшением частоты. Поэтому уменьшение шага записи приводит к ограниче- нию амплитуд смещения на иижиих частотах и, следовательно, к ограничению частотного диапазона со стороны иижиих частот Для расширения полосы пропускания необ- ходимо пропорционально уменьшать ампли- туды смещения иа всех частотах. Но при неиз- менном материале носителя записи это приве- дет к ухудшению отношения сигнал-помеха (С/П) ввиду большего влияния неоднородно- стей материала носителя. Следовательно, уменьшится динамический диапазон запи- си. Для реализации предлагаемого пути иужио использовать носители записи с более тонкой структурой, ие создающей заметной шумовой помехи. Для уменьшения износа пластинок требуются легкие звукосниматели, а для уменьшения «иеогнбания» — иглы с неболь- шим радиусом кривизны острия. Уменьшение отдачи компенсируют увеличением усиления тракта воспроизведения Другой резерв увеличения длительности звучания — регулирование шага записи. В па- узах и при записи сигналов, создающих не- большие амплитуды смещения, шаг записи уменьшают, а при записи больших сигналов увеличивают Автоматическая система, управ- ляющая шагом записи, поскольку она явля- ется инерционной, должна действовать «с уп- реждением», изменять шаг записи до момента появления большого сигнала. Для этого в маг- нитофон, с которого производят перезапись иа диск, вводят дополнительную магнитную го- ловку, с которой снимают «упреждающий» сигнал, выпрямляют его и с его помощью уп- равляют перемещением рекордера в радиаль- ном направлении, а при записи стереофониче- ских сигналов и в глубину *. Итак, для увеличения длительности звуча- ния уменьшают шаг записи, вводят его авто- матическое регулирование и применяют мел- коструктурные носители записи. На основе этих идей производятся современные долго- играющие пластинки. РЕЖИМЫ ЗАПИСИ Рассмотрим два возможных режима записи: режим постоянства амплитуд колебательной скорости vm (рис. 9.5, а) и режим постоянства амплитуд смещения хт (рис. 9.5, б). Графи- ки изображены в предположении, что напря- жение ир, подводимое к рекордеру, одина- ково иа всех частотах от /т1п до /тах. Во избежание амплитудно-частотных искажений для воспроизведения записей, сделанных в режиме vm = const, необходимы электроме- ханические преобразователи индуктивного типа — электромагнитный или электродинами- ческий звукосниматели, у которых ЭДС про- порциональна колебательной скорости. Для воспроизведения записей, сделанных в режи- ме хт = const, необходимы преобразователи емкостного типа — конденсаторный или пьезо- электрический звукосниматели, у которых ЭДС пропорциональна смещению иглы. При вос- произведении записей, сделанных в режиме хт = const, преобразователями индуктив- ного типа необходимо корректирование их АЧХ, чтобы получить постоянство напряже- ния 4/зв на выходе звукоснимателя Из рис 9.5, а видно, что в режиме vm -- = const амплитуды смещения убывают с рос- том частоты. Такое распределение амплитуд смещения нежелательно. Энергия шумов грам- мофонной пластинки сосредоточена главным образом в области верхних звуковых частот, и влияние шумов в режиме vm = const будет возрастать. К тому же энергия высокочастот- ных доставляющих акустических сигналов на верхних частотах меньше, чем на средних, по- этому уменьшение отношения С/П будет еще заметнее Поэтому с точки зрения лучшего перекрытия шумов пластинки более приемлема запись в режиме постоянства амплитуд смеще- ния. Отношение С/П увеличивается при этом более чем на 10 дБ. Однако чрезмерное увели- чение амплитуд колебательной скорости иа 1 Отечественный аппарат записи с пере- менным шагом был разработан во Всесоюз- ном научно-исследовательском институте акустики и звукозаписи (ВНАИЗ, иыне ВНИИТР) под руководством В. С. Вайибой- ма. 8 Зак. 1688 225
Рис. 9.5. Частотные характеристики ампли- туды колебательной скорости от, амплитуды смещения и требуемой частотной харак- теристики коррекции Uas/Vm при записи в режиме постоянства амплитуд колебательной скорости (а) и в режиме постоянства ампли- туд смещения (б) верхних частотах в режиме хт = const может привести к эффекту иеогибания. Поэтому в со- ответствии с рекомендациями МЭК унифици- рованная амплитудно-частотная характеристи- ка записи (кривая 1 на рис. 9.6) занимает промежуточное положение между АЧХ в ре- жимах постоянства vm и постоянства хт. Она Рис. 9.6. Унифицированная АЧХ записи (/), идеализированная (2) и реальная (5) АЧХ воспроизведения имеет меиьшую крутизну, чем обусловлено за- висимостью vm = ioxnl. Этой зависимости со- ответствует изменение К на 20 дБ при 10-крат- ном изменении частоты (графики Г и 2'). Фак- тически, как видно из рис. 9.6, 10-кратиому изменению частоты соответствует изменение К иа 13 ...14 дБ. Для уменьшения заметности вибраций двигателя (рокота) МЭК в дальней- шем предложил ввести спад АЧХ воспроизве- дения на нижних частотах (график 3). Под амплитудно-частотной характеристи- кой записи подразумевают зависимость vm от частоты при неизменном синусоидальном на- пряжении иа входе. Обычно ее выражают от- носительным коэффициентом передачи К в единицах уровня К = 20 lg (&mf/vmiooo) • где vmf и vm 1000 — амплитуды скорости иа частоте / и на частоте 1000 Гц. Таким образом, запись ведется с частотными предыскажениями (второй сверху график на рис. 9.5, б и кривая 1 иа рис. 9.6), позволяющими лучше перекрыть шум пластинки. Для восстановления исход- ного спектра сигнала АЧХ тракта воспроиз- ведения должна иметь обратный характер (чет- вертый сверху график на рис. 9.5, б и кривая 2 на рис. 9.6). ОСОБЕННОСТИ ЗАПИСИ СТЕРЕОСИГНАЛОВ Как уже упоминалось, в процессе развития механической записи были предложены и раз- работаны два способа модуляции канавки: поперечный и глубинный (см. рис. 9.1). Ком- бинацию этих двух способов используют для двухканальной стереофонической записи. Од- нако управлять движением резца в горизон- тальном и вертикальном направлениях непо- средственно сигналами левого и правого кана- лов нецелесообразно ввиду некоторого разли- чия свойств записываемых фонограмм и труд- ности разделения сигналов в звукоснимателе. Поэтому оба направления смещения резца по- ворачивают на 45° и сигналы каждого канала записывают одновременным перемещением рез- ца в горизонтальном и вертикальном направ- лениях. Тогда движение иглы, воспроизводя- щей сигнал одного канала, происходит по на- правлению слева сверху — вправо вниз (и в обратном иаправлеиии), другого канала — справа сверху — влево вниз (и в обратном на- правлении). Итак, чтобы получить двухканаль- ную стереофоническую фонограмму резцу со- общают перемещения в двух взаимно перпен- дикулярных направлениях, причем оба они находятся под углом 45° к поверхности носите- ля, как показано на рис. 9.7. Поскольку угол раскрытия стеиок каиавки равен 90°, иа каж- дой стенке канавки записывают одни сигнал: иа внешней (ближе к краю пластинки) сигнал правого канала, на внутренней (обращенной к центру пластинки) сигнал левого канала. Стандартизована и фазировка сигналов в каналах. Выходные напряжения звукоснима- теля находятся в фазе, если игла подается 226
вверх для левого канала и вниз для правого (или наоборот). Этот порядок принят по следу- ющим соображениям. При вращении диска воз- никают вертикальные перемещения иглы, обу- словленные короблением пластинки и биения- ми диска из-за неточной насадки иа ось (пло- скость диска не перпендикулярна оси). Если бы сигнал одного канала был записан способом поперечной записи, а другого — способом глубинной записи, то помеха, обу- словленная вертикальными перемещениями иглы, воспроизводилась бы только в одном ка- нале. Смещением направлений записи на 45° достигается противофазное и примерно одина- ковое по амплитуде распределение напряжения этих помех по обоим каналам. В результате звучание помехи распределяется по всей шири- не базы и ие локализуется, что уменьшает ее заметность. При синфазных сигналах равной амплиту- ды (монофоническая запись) игла перемеща- ется только в горизонтальной плоскости. По- этому при объединении сигналов обоих кана- лов с целью монофонической записи слуховое восприятие помех еще более ослабляется. При квадрофоиической записи на каждой стейке канавки записывается спектром звуко- вых частот сигнал переднего канала, а иа под- несущей частоте спектр сигнала заднего кана- ла. Полный спектр записи при этом простира- ется до 40 ... 45 кГц. ЛАКОВЫЕ ДИСКИ Технические условия механической звуко- записи на лаковые диски определены ГОСТ 7893—79. Стандарт полностью соответствует публикациям МЭК-98, МЭК-98А. Стандарти- зованы диаметр (формат) дисков: 300, 250, 175 мм (обозначается соответственно Ф300, Ф250, Ф175), частоты вращения (угловые ско- рости вращения): ЗЗ’/З (для всех форматов) и 45,11 об/мин (главным образом, для формата Ф175). Запись должна иметь вид спиральной канавки, вырезанной в рабочем слое лакового диска, вращающегося по ходу часовой стрелки. Запись в направлении от края к центру диска должна содержать вводную канавку, началь- ную (немодулнроваиную) канавку, модулиро- ванные канавки, конечную (немодулироваи- ную) каиавку. Эти части образуют зону запи- си. Далее следуют выводная канавка и заклю- чительная концеитрнчиая канавка. Записи разных произведений, выполненных иа одном диске, содержат разделительные промежутки Переход от одного произведения к другому со- вершается непрерывной соединительной канав- кой. Размеры записи для грампластинок раз- ных форматов должны соответствовать указан- ным в табл. 9.1 Шаг вводной канавки установ- лен 0,8 мм для Ф300 и 1,6 мм для Ф175, вы- водной — 6,5 мм для Ф300 и 3,0 мм для Ф175. Разделительный промежуток между записями разных произведений должен быть не менее 0,3 мм. Начальная и выводная каиавка должны иметь не менее одного витка. Форма и размер канавок в радиальном сечеиии должны соот- ветствовать рис 9 3 и табл. 9 2 При шаге вы- Рис. 9.7. Образование каиавки стереофониче- ской фонограммы водной канавки, превышающем 6,5 мм, шири- на каиавки должна быть не менее 75 мкм. Стандартизована в соответствии с рис. 9.6 и табл. 9.3 АЧХ записи. Остальные параметры записи на лаковых дисках должны соответствовать табл. 9.4. Таблица 9.1. Форматы и размеры записи иа диск Параметр Нормы ДЛЯ (J юр мата Ф175 Ф300 Ф250 Диаметр начала ввод- ной канавки, мм 302 251 175 Диаметр начала зоны записи, мм, не более 292 242 168 Диаметр конца соедини- тельной канавки, мм, не менее 127 127 127 Диаметр конца зоны записи, мм, не менее 120 120 120 Диаметр заключитель- ной концентрической ка- навки, мм 107 107 107 Таблица 9.2. Форма и размеры канавок Параметр Норма для пластинок стерео МОНО Ширина вводной немо- дулированиой и соедини- тельной канавок, мкм 40 50 Ширина модулирован- ной канавки, мкм, не бо- лее 180 70 То же, не менее 30 50 Ширина выводной ка- навки, мкм 60 .80 60.. 80 Ширина выводной кон- центрической канавки, мкм 60...100 60.. 100 Угол раскрытия каиавки 90±2° 90+2° Радиус закругления дна канавки, мкм 8,0 8,0 227 8;
Таблица 9.3 Амплитудно-частотная характеристика механической записи на диск f. Гц К. ДБ f. Гц К. дБ f. Гц К. дБ 20 — 19,3 200 —8,3 2000 2,6 25 —19,0 250 —6,7 2500 3,7 31,5 — 18,5 315 —5,2 3150 5,0 40 — 17,8 400 —3,8 4000 6,6 50 — 17,0 500 —2,6 5000 8,2 63 — 15,8 630 —1,6 6300 10,0 80 — 14,5 800 —0,8 8000 11,9 100 — 13,1 1000 0,0 10000 13,7 12 500 15,6 125 — 11,6 1250 0,8 16000 17,7 160 —9,8 1600 1,6 20 000 19,6 Стереоканалы должны быть сфазированы так, чтобы равновеликие синфазные сигналы создавали бы только поперечную запись. Раз- баланс стереоканалов по уровню записи на час- тоте 1000 Гц не должен превышать 1 дБ, рас- хождение АЧХ в диапазоне 20 .. 5000 Гц должно быть не более I дБ в диапазоне 5000... ... 20 000 Гц — ие более 2 дБ. Переходное затухание между стереокана- лами в диапазонах частот 20 . 250, 250 ... ...8000, 8000 . 12 500, 12 500. 20 000 Гц должно быть не меньше соответственно 30, 40, 30, 15 дБ. ГРАММОФОННЫЕ ПЛАСТИНКИ Параметры пластинок определены ГОСТ 5289—80 и ГОСТ 7893—79. ГОСТ 5289—80 соответствует публикациям МЭК-98 и МЭК- -98А. Стандарт не распространяется иа гибкие пластинки. Основными параметрами граммофонных пластинок служат длительность звучания, ши- рина полосы записанных частот, неравномер- ность АЧХ в пределах этой полосы, коэффи- циент гармоник, коэффициент детонации, отно- сительный уровень помех (шумов). Длительность звучания определяется диа- метром пластинок. Для форматов Ф300, Ф250, Ф175 диаметр пластинок составляет соответ- ственно 302,5; 251,5; 175,5 мм, а длитель- ность звучания 27, 18 и 9 мии Ширина полосы частот, неравномерность АЧХ, коэффициент гармоник заданы парамет- рами системы записи (см. табл. 9.4). Детона- ция зависит от эксцентриситета центрового от- верстия и коробления пластинки. Эксцентри- ситет не должен превышать 0,15 мм, а короб- ление 1,5 мм. Уровень помех по отношению к номинальному уровню записи не должен пре- вышать — 60 дБ, а увеличение уровня помех после 50 проигрываний ие должно превосхо- дить 2 дБ (разумеется, при соблюдении усло- вий эксплуатации). В настоящее время преимущественно вы- пускают пластинки с частотой вращения 331/3 об'мии, некоторые пластинки формата Ф175— Таблица 9.4. Параметры механической записи на диск Параметр Норма Отклонение частоты вращения от номинала, %, не более ±0,5 Коэффициент детонации, %, ие более ±0,04 Относительный уровень рокота, дБ, не более: без взвешивающего фильтра 45 с взвешивающим фильтром —69 Номинальный диапазон частот, Гц 20...20 000 Допустимые отклонения ам- плитудно частотной характери- стики записи от номинальной. дБ, не более. в диапазоне частот 50... 12 500 Гц + 1.5 50...20 и 12 500... 16 000 Гн От +1,5 16 000...20 000 Гц до —3 От +1,5 Номинальная амплитуда сме- щения, мкм, в поперечном направлении до —61 40 в вертикальном направлении 20 Номинальная амплитуда ко лсбательной скорости, см/с в поперечном направлении 14 для левого и правого кана- лов 10 Коэффициент гармоник, %, не более, в диапазоне: 60.. 8000 Гц 1,5 30 .60 Гц 3,0 Относительный уровень помех канала записи, дБ; не более —63 Относительный уровень помех немодулированных («немых») канавок, дБ, не более 68 Для монофонической записи — до —10 дБ. с частотой вращения 45,11 об/мин. Ранее выпускали монофонические пластинки непо- средственного воспроизведения с частотой вра- щения 77, 92 об/мии. За рубежом в небольшом количестве делают пластинки с частотой вра- щения 162/3 об/мин. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ И КОНТРОЛЬНЫЕ ГРАМПЛАСТИНКИ Для проверки электропроигрывающих уст- ройств (ГОСТ 18631—73) и электрофонов (ГОСТ 11157 — 74) выпускают измеритель- ные и контрольные грампластинки. Их об- щие параметры соответствуют ГОСТ 14761.0— 78 (срок действия продлен до 1.7.89). Стан- дарт соответствует публикации МЭК-98А. 228
Основные параметры и размеры пластинок соответствуют ГОСТ 5289—73, ГОСТ 14761.0 — 78 и стандартам на измерительные и контрольные пластинки конкретного назна- чения. Форма и размеры канавок, а также другие параметры записи, не установленные стандартами на пластинки конкретного назна- чения, должны соответствовать ГОСТ 7893—72, ГОСТ 5289—80. Пластинки прес- суют матрицами снятыми со второго ориги- нала. Эксцентриситет центрового отверстия пластинок не более 0,1 мм, коробление — не более 0,5 мм. Относительный уровень помех немодулнровапных канавок в соответствии с ГОСТ 5289—80 не более — 64 дБ, а после 50 проигрываний ие должен возрастать более чем на 2 дБ. Установлены стандарты на следующие ви- ды измерительных и контрольных пластинок: для измерения относительного уровня рокота (ГОСТ 14761.1—78), для измерения коэффици- ента детонации (ГОСТ 14761.2—78), грампла- стинки «скользящего тона» для измерения ам- плитудно-частотных характеристик (ГОСТ 14761.3—78). для измерения разделения меж- ду стереоканалами (ГОСТ 14761.4—78), для проверки работы автостопа (14761.5—78). Срок действия перечисленных стандартов так- же продлен до 1.7.89. Грампластинки для проверки уровня роко- та электропроигрывающих устройств (ЭПУ) и электрофонов содержат запись сигнала срав- нения частоты 315 Гц и немодулированпые ка- навки. Канавки с сигналом сравнения выпол- нены в виде отдельных зон поперечной и глу- бинной записи, а также записи сигналов левого и правого каналов при амплитудном значении колебательной скорости 5,41 см, с и соответст- венно эффективном (действующем) значении 3,83 см/с. Запись производится па станке, от- носительный уровень рокота которого не пре- вышает —48 дБ без взвешивающего фильтра и —71 дБ при его наличии. Соответственно от- носительный уровень рокота измерительной пластинки должен быть не более —44 дБ без взвешивающего фильтра и —66 дБ прн его на- личии. Амплитуду колебательной скорости из- готовленных пластинок определяют расчетом по заданной частоте и измеренной под микро- скопом амплитуде смещения канавки с попе- речной записью сигнала сравнения: vm = шхт. Пластинки для измерения коэффициента де- тонации содержат запись синусоидального сигнала частоты 3150± 100 Гц при эффективном значении колебательной скорости 2 ... 4 см/с. Кроме записи сигнала частоты 3150 Гц пла- стинка содержит немодулироваииые замкну- тые (концентрические) канавки, предназначен- ные для центрования пластинки. Чтобы коэф- фициент детонации измерительной пластинки не увеличивался в процессе ее использова- ния, эксцентриситет центрального отверстия должен быть не более 0,05 мм, а коробление — не более 0,5 мм. Грампластинка «скользящего тона» пред- назначена для снятия амплитудно-частотных характеристик. Она содержит запись сигнала изменяющейся частоты от 20 до 20 000 Гц. Частотный масштаб «скользящего тона», вос- производимого с пластинки, должен совпадать с масштабом диаграммной ленты, используе- мой в самопишущем регистраторе уровня. Звуковые канавки выполнены в виде отдель- ных зон поперечной и глубинной записи, а также записи сигналов левого и правого кана- лов. Эффективное значение колебательной ско- рости на частоте 1000 Гц при поперечной запи- си — 2,24 см/с. Поскольку увеличивать коле- бательную скорость на более высоких часто- тах недопустимо из-за возникновения эффекта иеогибания. на более высоких частотах принят режим постоянства vm. на более низких часто- тах в соответствии с ГОСТ 7893—72 принят спад vm, достигающий на частоте 20 Гц 19,3 дБ. Записи «скользящего тона» предшествует сиг- нал частоты 1000 Гц. служащий для установ- ки в исходное положение измерительной ап- паратуры с самописцем. Диаграммная лента приходит в движение при прекращении сигна- ла частоты 1000 Гц. Особые грампластинки вы- пускают для измерения переходного затуха- ния между каналами. Их основные параметры приведены в табл. 9.5. Допустимое переходное затухание между стереоканалами на частотах ниже 315 Гц — не менее 25 дБ, в диапазоне частот 315 ... Таблица 9.5. Параметры граммофонных пластинок для измерения переходного затухания между каналами Параметр Норма для частот сигнала Частота сигнала, Гц, при допускаемом от- клонении ±(0,025/4-1), % 315 юоо 5000 10 000 Эффективное значение колебательной ско- рости, см/с, не менее, при допускаемом от- клонении ±10% не более 1,95 3,54 3,54 3,54 Допустимое различие уровней сигналов ле- вого и правого каналов дБ. не более 0,75 0.3 0,75 0,75 Переходное затухание между каналами, дБ, не менее 30 35 35 35 229
Таблица 9.6. Параметры ЗПУ Норма по группам сложности Параметр 0 1 9 3 Диапазон воспроизводимых частот, Гц, не уже 20 20 000 31,5... 16 000 40... 12 500 50. .10 000 Неравномерность АЧХ в заданном диапазо не частот, дБ, не более Чувствительность иа частоте 1000 Гц, мВ/см/с со встроенным корректирующим усилите- лем По рис. 9.8 По рис 9 9 По рнс. 9.10 i 2 70...200 70...200 70...200 70..200 с электромагнитной головкой звукоснима- теля 0,7.. 2,0 0,7.. .2,0 0,7...2,0 0.7...2.0 с пьезоэлектрической головкой, моно, не менее 59 50 то же, стерео Переходное затухание между стереоканала ми, дБ, на частотах 315 Гц — 70...200 — 20 20 10 1000 Гц 25 20 15 — 5000 Гц 20 15 10 — 10 000 Гц 15 10 6 Разбаланс чувствительности звукоснимате- ля, дБ. не более 1 2 2 Разбаланс АЧХ звукоснимателя в диапазо- не частот от 315 до 6300 Гц, не более 2 2 3 — Коэффициент детонации, %, не более, при питании от сети переменного тока 0,08 0,15 0,20 0,25 от автономных источников постоянного тока 0,35 Отношение сигнал-рокот, дБ, не менее, с использованием фильтра X (рис. 9.11) 30 фильтра У (рис. 9.11) 70 60 55 -— Отношение сигнал-фон, дБ, не менее, со встроенным корректир. усилителем 66 62 54 -— без встроенного корректир. усилителя 70 66 57 53 Амплитуда колебательной скорости механи- ческой записи на частоте 1000 Гн, при ко торой обеспечивается способность следова пия воспроизводящей иглой по канавке, см/с, не менее: для электромагнитной головки для пьезоэлектрической головки 25 20 15 Прижимная сила, мН: — 15 15 не более, для электромагнитной головки для пьезоэлектрической головки 15 20 30 — Частота основного (механического) резо- — — 70 70 нанса головки, Гц не менее 6 . . не более 12 — — Добротность основного резонанса тонарма (относительное значение), не более Потребляемая мощность Вт, не более, при питании от сети переменного тока 3 30 20 20 12 от автономных ИСТОЧНИКОВ ПОСТОЯННОГО тока .Масса ЭПУ, кг, не более И 7 5 ' 0,7 3 230
Рис. 9.8. Допуски на неравномерность АЧХ ЭПУ высшей группы сложности Рис. 9.10 Допуски на неравномерность АЧХ ЭПУ второй группы сложности Рис. 9.9. Допуски на неравномерность АЧХ ЭПУ первой группы сложности ... 10 000 Гц — не менее 30 дБ, в диапазоне частот 10 000 ... 16 000 Гц — не менее 25 дБ, на частотах свыше 16 000 Гц — не менее 15 дБ. Пластинки содержат канавки с записанны- ми сигналами фиксированных частот, значе ния которых определены в ГОСТ 18631—73. Канавки с записанными сигналами фиксиро ванных частот выполнены в виде зон записи левого и правого каналов; ширина каждой зоны — ие менее 2 мм. Амплитуды колеба- тельной скорости устанавливают по ГОСТ 7893—72 (рис. 8.6) Грампластинки, предназначенные для про- верки работы автостопа, имеют две зоны с не- модулированнымн канавками — на одной сто- роне для проверки на несрабатывание, на дру- гой — для проверки на срабатывание. На чальный диаметр первой зоны — не менее 160 мм, конечный — 127 мм. Шаг канавки от Здо 7 мм. Начальный диаметр второй зоны — 127 мм при шаге записи 0,5 мм, диаметр замкнутой канавки, предназначенной для про- верки автостопа на несрабатывание, равен 96 мм, для проверки на срабатывание — 107 мм. Шаг канавки второй зоны стороны, предназначенной для проверки автостопа на несрабатывание. 0,5 мм, стороны, предназна- ченной для проверки на срабатывание,— 3 мм ЭЛЕКТРОПРОИГРЫВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА, ЭЛЕКТРОПРОИГРЫВАТЕЛИ, ЭЛЕКТРОФОНЫ Для воспроизведения граммофонных пла- стинок служат электропроигрывающие устрой- ства (ЭПУ). Они содержат движущий меха- низм и звукосниматель и предназначены для встраивания в бытовую электроакустическую аппаратуру, например в радиоприемники и электропроигрыватели. Электропроигрыва тель — электропроигрывающее устройство в футляре Автономное электропроигрываюшее устройство, содержащее, кроме движущего механизма и звукоснимателя, усилители и электроакустические системы (громкоговори- тели), называют электрофоном, сочетание электропроигрывающего устройства с радио- приемником — радиолой. Выпускают также комбинированные устройства, содержащие, кроме ЭПУ, магнитофонную панель. Параметры ЭПУ должны соответствовать ГОСТ 18631—83, аналогичному стандартам СЭВ 3190—81 и СЭВ 3195—81. По электрическим и электромеханическим параметрам и потребительским (эксплуата- ционным) удобствам (свойствам) ЭПУ разделе- ны на четыре группы сложности: высшую (0), первую (1), вторую (2) и третью (3) (табл . 9.6, 9.7) Буквенно цифровое обозначение ЭПУ состоит из следующих частей: первая цифра обозначает группу сложности, далее следуют буквы ЭПУ, вторая и третья цифры обозна- чают порядковый номер разработки модели. Для стереофонических ЭПУ, снабженных звукоснимателем с электромагнитной голов- кой, добавляют буквы СМ, для стереофони- ческих ЭПУ, снабженных звукоснимателем с пьезоэлектрической головкой, — буквы СП. Далее следует обозначение стандарта. Например, наименование 2—ЭПУ—65СМ ГОСТ 18631—83 обозначает: 65 модель стерео- фонического ЭПУ второй группы сложности с электромагнитной головкой. Номинальные частоты вращения диска ЭПУ — 331/3 и 45,11 об/мин Электрические и электромеханические параметры ЭПУ для номинальной частоты вращения диска 33J/3 об/мин должны соответствовать нормам, приведенным в табл. 9.6. Питание ЭПУ осуществляется от сети пере- менного тока с номинальным напряжением 220 В, частотой 50 Гц и допустимыми отклоне- 231
Таблица 9.7. Наличие вспомогательных устройств Потребительские (эксплуатационные) удобства Группа сложности 0 12 3 Микролифт Регулятор частоты вращения диска и индикатор частоты вращения ЗЗ’/з об/мин Регулятор прижимной силы звукоснимателя Автостоп или концевой вы- ключатель с переключением зон срабатывания Компенсатор скатывающей си лы (кроме ЭПУ с тангенциаль- ным тонармом или с тонармом с автоматической компенса- цией скатывающей силы) Выключатель, замыкающий вы воды звукоснимателя или от- ключающий встроенный коррек тирующий усилитель при не- рабочем положении иглы Устройство для возвращения тонарма в исходное положение Автоматическое устройство для установки иглы на задан- ный начальный диаметр запи си ниями напряжения сети от —10 до 4 5 °о, а для устройств третьей группы сложности и от автономных источников с допустимыми отк лонениями напряжения от номинального от —30 до +10%. Отклонения частоты враще- ния диска от номинальной при питании от сети переменного тока должны быть не более ± 0,55 % для группы сложности 0; ±1,2 % для группы сложности 1; ±1,7 % для группы сложности 2; ±2,1 % для группы сложности 3, при питании от автономных источников посто- янного тока для группы сложности 3 — не более ± 3 %. Диаметр шпинделя диска для установки обычных пластинок должен быть 7,24 мм при допустимых отклонениях — 0,04 ... —0,13 мм, наружный диаметр вкладыша для установки пластинок с увеличенным центровым отверсти- ем — 38,2 мм при допустимых отклонениях — 0,08 ... — 0,24 мм. В зависимости от категории сложности ЭПУ, характеризующей удобства, предостав- ляемые потребителю, в ЭПУ вводят различ- ные вспомогательные (сервисные) устройства, облегчающие эксплуатацию и повышающие качество воспроизведения. Они перечислены в табл. 9.7. Буквы в графах таблицы обозна- чают: 0 — наличие устройства обязательно, Р — рекомендуется, Н — не обязательно. Микролифт необходим для плавного опу- скания иглы звукоснимателя на пластинку во избежание порчи иглы и пластинки, регу- лятор частоты вращения позволяет установить номинальную частоту вращения. Замыкание выводов звукоснимателя устраняет помехи (фон, трески) в перерывах между проигрыва- ниями пластинок. Как и электропроигрывающие устройства, электрофоны по электрическим, электроаку- стическим и потребительским (эксплуатаци- онным) свойствам подразделяют на четыре группы, причем электрофоны групп 0 и 1 из- готавливают только стереофоническими, групп 2 и 3 — и стереофоническими, и монофониче- скими. Поскольку в состав электрофонов, кро- ме ЭПУ, входят усилители и электроакусти ческие системы. ГОСТ 1157—801 дополнитель- но нормирует ряд параметров качества, ука- занных в табл. 9.8. Параметры ЭПУ. магнито- фонных панелей и выносных акустических си- стем, входящих в состав электрофонов, опре- делены ГОСТ 18631 — 83 ГОСТ 20838 — 75, ГОСТ 23262 — 78. Условное обозначение электрофона состоит из следующих частей: слова «Электрофон», торгового названия дайной модели, цифры, обозначающей группу сложности, двух цифр, обозначающих порядковый номер разработ- ки, слово «стерео» для стереофонических мо- делей и оботачения стандарта. Пример услов- ного обозначения: Электрофон «Ленинград— 109 — стерео». ГОСТ 11157—80 — стереофо- нический электрофон первого класса, девятая модель. На панели электрофона наносят условные функциональные обозначения (символы) или надписи, поясняющие назначение органов уп- равления. Система коммутации обеспечивает подключение собственных (ЭПУ, магнитофон- ная панель) и внешних (радиовещательный приемник, розетка сети проводного вещания, магнитофон) источников сигналов. Электро- фоны содержат переключатели: «моно-стерео», скачкообразного изменения ширины полосы пропускания, отключения тонкомпенсации, регуляторы громкости, стереобаланса и тембра по нижним и верхним частотам, а также ряд Рис 9.11. Амплитудно-частотные характери- стики взвешивающих фильтров X и У 1 Соответствует стандарту СЭВ 1080—87. 232
Таблица 9.8. Параметры электрофонов Параметр Норма по группам сложности 0 1 2 3 Диапазон воспроизводимых частот по зву- ковому давлению, Гц, при неравномерности 14 дБ, ие уже 31,5...20 000 50... 16 000 80... 12 500 100...8000 Номинальная выходная электрическая мощ- ность каждого тракта, Вт, не менее 20 10 3 125...71001 1.5 Диапазон воспроизводимых частот по элек- трическому напряжению со входа усилите- ля звуковых частот, Гц, ие уже 20...22 090 31,5... 16 000 40... 12 500 Допускаемое отклонение АЧХ в диапазоне воспроизводимых частот по электрическому напряжению, относительно коэффициента усиления иа частоте 1000 Гц, дБ, ие более с линейного входа ±1,5 ±1,5 ±2,5 со входа корректир. усилителя ±2.0 ±2,0 — — Коэффициент гармоник в диапазоне воспро- изводимых частот по электрическому на- пряжению при номинальной мощности, %, не более О.З2 0.72 1.5 2.5 Коэффициент интермодуляционных иска- жений, %, не более 1.0 1,5 — Переходное затухание между стереотрак- тами с линейного входа, дБ, не менее иа частотах, Гц 1000 403 4 0э 35 30 250.. 10 000 30 30 25 25 Различие усиления стереотрактов в диапа- зоне частот 250...6300 Гц, дБ, не более 23 23 3 3 Напряжение перегрузки источником сигна- ла с линейного входа, В, не меиее 2 2 2 — Уровень помех фона и наводок всего трак- та электрофона, дБ, не более —56 —50 - 46 - 40 ’ Для встроенных акустических систем. 2 Значение должно выполняться в диапазонах частот 63...12 500 Гц при выходной мощности от номиналь- ной до одной десятой от номинальной, 40...63 и 12 500...16 000 Гц при уменьшении выходной мощности, не более чем вдвое. 3 При положениях регулятора громкости от максимального до значения» указанного в технических услови- ях на электрофон. дополнительных устройств: световой индика- тор включения питания, указатели рода рабо- ты, гнезда для подключения магнитофона, ра- диоприемника (тюнера), сети проводного ве- щания, головных стереофонических телефонов, акустических систем. ЗВУКОСНИМАТЕЛИ Основными узлами звукоснимателя явля- ются головка и тонарм. Головка звукоснимателя содержит преоб- разователь (чаще всего электромагнитного или пьезоэлектрического типа), иглодержатель и иглу. Параметры головки разделяют на меха- нические и электрические. К механическим от- носят прижимную силу G, гибкость подвеса подвижной системы с, действующую массу подвижной системы т; к электрическим— чувствительность Е, амплитудно-частотную характеристику, рассогласование по чувстви- тельности иа частоте 1000 Гц и в диапазоне частот, проникание или переходное затухание между стереотрактами, номинальное сопротив- ление нагрузки. При вращении пластинки модулированная канавка, отклоняя иглу от равновесного (ней- трального) положения, воздействует иа иее с силой, равной противодействующей силе реак- ции Гр подвижной системы на каиавку. Сила реакции связана с колебательной скоростью v и механическим сопротивлением подвижной системы г соотношением Fp = vz. Для уменьшения разрушения канавки нуж- ны головки с небольшим механическим сопро- тивлением г, т. е. имеющие малые действующую массу, треиие и большую гибкость. Чтобы иг- 233
ла под действием силы реакции не поднималась по стенкам канавки и не выскакивала из ка- навки, прижимная сила G должна быть в 2...3 раза больше Fp. Тогда игла будет прижимать- ся к обеим стенкам канавки одновременно. Чрезмерная или недостаточная прижимная си- ла увеличивает износ канавки. Поэтому в пас- портных данных звукоснимателя указывают допустимые пределы изменения G. при кото- рых игла точно ведется канавкой и в наимень- шей степени разрушает ее Желательно уста- навливать С ближе к нижнему пределу. Лишь при короблении пластинки или заметных вер тикальных биениях диска ее приходится уве- личивать. Между амплитудой колебательной ско- рости, амплитудой силы реакции и составляю- щими механического сопротивления существу- ет связь Vm— Fm/z Fm I p/"r2-|-^<um В этой формуле г — сопротивление механиче ских потерь (потерь на трение), с — гибкость подвеса, ат — эквивалентная (действующая) масса подвижной системы. Гибкость характе- ризует способность подвижной системы откло- няться от равновесного (нейтрального) поло- жения при приложении к игле головки силы. Чем больше гибкость, тем меньше нагрузка на стенки канавки, тем меньшее усилие тре- буется от канавки, чтобы отклонять иглу Под действующей массой подразумевают массу подвижной системы, отнесенную к точке рас- положения иглы Силы реакции имеют наибольшие значения на краях рабочего диапазона частот Поэтому для граничных частот /п1,п и /П10Х находят па- раметры подвижной системы: гибкость с = = хт/Fp и действующую массу m — Fpla— Гр/(ш2хт), причем хт — наибольшая амплитуда смеще- ния канавки на частоте /min, a = w2xm — максимальная амплитуда колебательного ускорения на частоте / шах- Так как прижимная сила, удерживающая иглу в канавке, находится в прямой зависимо- сти от отклоняющей силы, то головка с боль- шой гибкостью подвеса может работать при меньшей прижимной силе. Например, головка с гибкостью не менее 10- 10~3 м/Н при прижим- ной силе 15 мН уверенно следит за канавкой с амплитудой смещения более 50 мкм. Так как амплитуда смещения в вертикальном направ- лении в 1,5 ... 2 раза меньше амплитуды сме- щения в горизонтальном направлении, то гибкость в вертикальном направлении может быть во столько же раз меньше гибкости в го- ризонтальном направлении. Действующая масса оказывает наиболь шее влияние на свойства головки на верхних частотах. Чем меньше масса, тем больше /тах, тем меньше инерциальная составляющая силы реакции. У лучших головок т 0,5 мг Чувствительность головки представляет собой отношение напряжения иа ее зажимах к колебательной скорости, с которой записан сигнал. Измерить напряжение на зажимах звукоснимателя нетрудно. Сложнее опреде- лить значение колебательной скорости. Суще- ствует косвенный способ определения колеба- тельной скорости Если пластинку с модули рованными канавками осветить под определен- ным углом параллельными лучами света, то на ее поверхности появится бликующая свет- лая полоска. Измерив ее ширину, можно оп- ределить колебательную скорость v = апп/60, где а — ширина светлой полосы, п — частота вращения. Например, при ширине блика 5,7 см и частоте вращения диска 331/3 об/мин о= 5,7-3,14-33,33/60= 10 см/с. Частотная характеристика головки явля- ется логарифмическим выражением напряже- ния сигнала на нагрузке головки в зависимо- сти от частоты при постоянстве колебательной скорости, причем нуль шкалы децибелов со- ответствует напряжению на 1000 Гц: К =20 lg (Uf/Uwo). Ход частотной характеристики определяется принципом преобразования и конструкцией подвижной системы Для стереофонических головок существен- ными электрическими показателями являются рассогласование трактов по чувствительности на частоте 1000 Гц и в диапазоне частот и пере- ходное затухание между трактами (или про- никание сигнала из тракта в тракт). Все эти величины выражают в логарифмических еди- ницах — децибелах Чувствительность пьезоэлектрических зву- коснимателей составляет доли вольта на 1 см/с, электромагнитных звукоснимателей — от де- сятых долей до нескольких милливольт на 1 см/с. Чувствительность звукоснимателя, пом- ноженная на максимально допустимое значе- ние колебательной скорости (14 см/с для моно- и 10 см/с для стереозаписи) — исходная ве- личина для расчета усилителя воспроизведе- ния. Сравнивая частотную характеристику го- ловки и нормированную частотную ха- рактеристику воспроизведения (кривая 2 на рис. 9.6), определяют необходимую поправку. Ее вводят с помощью частотного корректора (усилителя). Рассогласование на частоте 1000 Гц и по частотному диапазону не должно пре- вышать 2 дБ. Переходное затухание между стереотрактами должно быть не менее 20 дБ на средних частотах и 15 дБ иа верхних частотах. Номинальное сопротивление нагрузки для керамических головок должно быть 1,4 МОм для пьезоэлектрических порядка I МОм, для электромагнитных — 47 кОм Классификация головок звукоснимателей по способу получения электрического сигнала представлена на рис. 9.12. Во многих головках применяют пьезоэлект- рическое преобразование. Для изготовления 234
пьезоЗлемеита используют кристаллы сегне- товой соли (калийно-натриевого тартарата KNaC4H4Oe-4 Н2О) или более устойчивую к воздействию влаги и повышенной температу- ры поликристаллическую керамику, иначе на- зываемую пьезооксидом (титанат бария, свинца, свинца — циркония). Пьезооксиды сами по себе не обладают пьезоэлектрическими свойствами, а приобретают их путем терми- ческой обработки в электрическом поле. Пьезооксиды не чувствительны к влаге, повы- шенной температуре, химически нейтральны. Поэтому керамические головки сохраняют ра- ботоспособность даже в тропических условиях. Пьезокристаллы работают на изгиб. Если конец кристалла закрепить в опоре жестко, то ЭДС пропорциональна амплитуде смещения, если закрепить упруго, например с помощью резиновой обжимки, ЭДС пропорциональна амплитуде колебательной скорости. Подбирая параметры зажима, получают достаточно хо- рошее приближение к желаемой АЧХ воспро- изведения (кривая 2 на рис. 8.6). Форма АЧХ зависит также от значения сопротивления на- грузки. Если оно составляет 0,25 .. 1,0 МОм, ЭДС примерно пропорциональна амплитуде смещения. Широкое распространение пьезоэлектриче- ских головок обусловлено их преимуществами: простотой и дешевизной, большой ЭДС (доли вольта, что примерно на два порядка больше ЭДС, развиваемой другими головками). Го- ловки нечувствительны к магнитным по- лям рассеяния. Поскольку ЭДС возникает в результате ме- ханической деформации кристалла, гибкость подвеса невелика, редко достигает 4-10-3 м/Н. Поэтому чтобы игла точно следовала по канав- ке, необходимо прижимная сила 20 ... 50 мН. При этом увеличивается разрушение канавки. К недостаткам пьезоэлектрических головок от- носятся также недостаточная механическая прочность и чувствительность к влажности и изменению температуры. При повышении тем- пературы с 20 до 40 °C чувствительность умень- шается на 25 %. При 60 °C кристаллизацион- ная структура разрушается и пьезоэффект ис- чезает. Электромагнитные головки изготавливают с подвижным магнитом (рис. 9.13, а), с под- вижным якорем нз магнитомягкого железа (рис. 9.13, б), с переменным магнитным сопро- тивлением (рис. 9.13, в), с подвижными катуш- ками (рис. 9.13, а). Головки последнего вида называют часто электродинамическими. Луч- шие образцы электромагнитных головок обла- дают следующими параметрами: ЭДС на часто- те 1000 Гц — несколько десятков милливольт, ширина полосы 10 ... 25 000 Ги при неравно- мерности АЧХ не более ± 2 дБ. Таких хоро- ших параметров достигают благодаря неболь- шой массе подвижной системы (менее 10 мг) и большой гибкости подве а (35-10~3 ...50Х X 10~3 м/Н), а также благодаря электродина- мическому демпфированию подвижной сис- темы. Недостатки электромагнитных головок; сложность изготовления и обусловленная этим довольно большая стоимость, чувстви- тельность к магнитным полям рассеяния, не- обходимость корректирования АЧХ, а также недостаточная чувствительность. При исполь- зовании электромагнитных головок обяза- Рис. 9.12. Классификация головок звукоснимателей по способу получения электриче- ского сигнала 235
Рис. 9.13. Схема конструкции электромагнитных головок с подвижным магнитом (а), с подвижным якорем из мягкого железа (б), с переменным магнитным сопротивле- нием (в), с подвижными катушками (г) тельно необходимо применять предваритель- ный корректирующий усилитель. Действие емкостных звукоснимателей ос- новано на изменении расстояния между обклад- ками миниатюрного конденсатора при коле- баниях иглы. Размеры обкладок примерно 1X2 мм. Получаемая ЭДС пропорциональна смещению иглы. Ввиду большого выходного со- противления и незначительной ЭДС преобра- зователь чувствителен к внешним полям по- мех Отношение сигнал-помеха составляет при- мерно 55 дБ. Усилитель необходимо поме- щать непосредственно возле преобразователя, что усложняет конструкцию звукоснимателя. Для увеличения чувствительности преобразо- ватель включают в качестве конденсатора в контур высокочастотного генератора. При ко- лебаниях иглы изменяется емкость конденса- тора и частота генерируемых колебаний. Полу- ченные ЧМ колебания (частота около 20 МГц) усиливаются и детектируются. При vm ~ = 5 см/с напряжение на выходе устройства на частоте 1000 Гц составляет примерно 0,2 В. Полоса пропускания емкостного звукоснимате- ля составляет 20 .. 20 000 Гц, прижимная си- ла — примерно 12 мН, гибкость подвеса под- вижной системы — 25- 10-3 м/Н. Преимуществом емкостного звукоснимате- ля является широкая полоса частот при малой неравномерности АЧХ. Однако из-за сложной электрической схемы и конструкции емкост- ные звукосниматели используются сравнитель- но редко В фотоэлектрических головках световой по- ток, создаваемый миниатюрной лампой нака- ливания, модулируется колеблющейся заслон- кой, управляемой иглой, и попадает на фото- резистор. Ввиду малой массы подвижной си- стемы головки верхняя граничная частота сос- тавляет 40 ... 45 кГц. Гибкость подвеса в го- ризонтальной и вертикальной плоскостях — примерно 30-10 3 м/Н, что позволяет умень- шить прижимную силу до 15 мН. Чувст- вительность головок примерно в 10 раз боль- ше чувствительности электромагнитных голо- вок. В лучших образцах фотоэлектрических головок достигнуты следующие параметры: прижимная сила 5 мН, гибкость подвеса 30-10—3 Н, масса подвижной системы 0,3 мг, чувствительность 16 мВ/см/с, полоса частот от 20 до 45 000 Гц при неравномерности на час тотах до 20 000 Гц не более ± 1 дБ, переход ное затухание между каналами на частоте 1000 Гц более 30 дБ Однако ввиду сложности и большой стоимо- сти фотоэлектрические головки применяют лишь в отдельных моделях ЭПУ высшего класса. В полупроводниковых головках использу- ют изменение сопротивления полупроводнико- вого элемента под действием сжимающей или растягивающей силы В результате модулиру- ется поданное на преобразователь постоянное напряжение. Гибкость подвеса примерно 25-10~3 м/Н, масса подвижной системы 0,5 мг, что соответствует лучшим образцам элект- ромагнитных головок, чувствительность 5 мВ/см/с. Сигнал, снимаемый с головки, уси- ливается примерно в 30 раз. Головка полупроводникового типа совме- щает в себе достоинства электромагнитных го- ловок (широкую полосу воспроизводимых ча- стот, малую массу и большую гибкость под- веса подвижной системы, следовательно малую прижимную силу) и пьезоэлектрических голо- вок (большое выходное напряжение, нечувст- вительность к магнитным полям) Однако тех- нология производства этих головок разрабо- тана еще недостаточно, поэтому они доро- ги. Для питания головки нужен источник с хорошосглажениыми пульсациями выпрямлен- ного напряжения. Все рассмотренные выше типы головок дей- ствуют при контакте иглы с канавкой и в боль- шей или меньшей степени разрушают ее. Раз- работаны бесконтактные головки. Луч лазера отражается от неровностей канавки и посту- пает на фотоэлектронный преобразователь. Звукосниматели этого типа снабжают сложным и дорогостоящим устройством ведения луча по дорожке записи. Такие звукосниматели ис- пользуют, в частности, в устройствах воспро- изведения цифровой записи с компакт-дисков. Важной частью головок является игла. Движение иглы по канавке должно возможно точнее повторять движение резца рекордера. Материал иглы должен быть стоек к истира- нию Масса иглы, являющаяся частью массы подвижной системы, должна быть возможно меньше. 236
Чаще всего применяют иглы цилиндриче- ской формы, завершающиеся конусом с за- кругленной вершиной (рис. 9.14, а). Достоин- ство их — медленное истирание самой иглы и канавки пластинки, находящейся в контакте с иглой. Иглы просты в изготовлении и пото- му сравнительно дешевы. Однако эти иглы об- ладают серьезным недостатком. Форма их ост- рия сильно отличается от формы острия резца (рис. 9.14, б). Из-за этого возникают искаже- ния неогибаиия. Использовать иглы с формой острия, повто- ряющей форму острия резца, также недопусти- мо. Площадь контакта такой иглы с канавкой будет мала. Острые кромки иглы будут по- вреждать канавку, а чрезмерное давление на канавку при большой прижимной силе вызо- вет необратимую деформацию стенок канавки. Применение игл, форма острия которых при- ближается к форме острия резца, стало воз- возжным после появления головок с умень- шенной прижимной силой (не более 15 мН). Это — иглы с эллиптическим (рис. 9.14, в) и так называемым бирадиальным (рис. 9.14,г) сечением острия, а также появившиеся в по- следние годы иглы с V-образным (рис. 9.14, б) и гиперэллиптическим (рис. 9.14, е) сечением острия. Иглы изготавливают из корунда или алма- за в соответствии с ГОСТ 7765—70. Срок службы корундовых игл от 100 до 150 ч, ал- мазных 500 ... 850 ч. Следует иметь в виду, что алмазные иглы примерно в 10 раз дороже корундовых. Марки и размеры корундовых игл приведены в табл. 9.9, алмазных игл — в табл. 9.10. Алмазные иглы типа I имеют эл- липтическое сечение острия и квадратное се- чение крепежной части со стороной квадрата а= 0,27 мм. Алмазные иглы типа II имеют круглое сечение острия и квадратное (Кв) или круглое (Кр) сечение крепежной части с a) S) В) г) д) в) Рис. 9.14. Форма сечения острия иглы диаметром d 0,3; 0,35 и 0,40 мм. Длина иглы / составляет от 0,5 до 1,5 мм. Вершина острия ие должна касаться дна канавки. Радиус за- кругления конца иглы всегда берется больше радиуса закругления дна канавки, равного 8 мкм. Тонарм должен перемещать головку звуко- снимателя таким образом, чтобы игла возмож- но точнее повторяла движение резца рекорде- ра при записи. Рекордер движется вдоль ради- уса диска. Любое отклонение перемещающей- ся иглы звукоснимателя от радиуса пластинки вызовет нелинейные искажения. Для уменьше- ния искажений применяют тонармы трех ти- пов: рычажного типа с постоянным горизон- тальным углом коррекции (рис. 9.15, а), рычажного типа с переменным горизонтальным углом коррекции (рис. 9.15, б), тангенциаль- ного типа (рис. 9.15, в). Ввиду того что нели- нейные искажения правильно сконструиро- ванных тонармов рычажного типа с постоян- ным углом коррекции достаточно малы, а их стоимость значительно меньше стоимости то- нармов других типов, первые используются в настоящее время даже в высококачественных ЭПУ. Тонарм рычажного типа состоит из изогну- той трубки или стержня с П-образным профи- лем /, закрепленных на поворотной ножке 2, содержащей оси для поворотов в горизонталь- ной и вертикальной плоскостях. Короткая хвостовая часть трубки (стержня) имеет про- Рис. 9.15. Тонармы рычажного (а), рычажного с переменным горизонтальным углом коррекции (б) и тангенциального (в) типа 237
Таблица 9.9. Марки и размеры корундовых игл Условное обозначение нглы Радиус за- кругления конца нглы, мкм Длина нглы, мм Область применения К 18/0,8 18±; 0,8±0,1 Для воспроизведения стереофонических и монофониче- ских пластинок с узкой каиавкой при прижимной силе звукоснимателя не более 30 мН К 18/1,2 К 18/1,5 1811 1,2±0,1 1,5+0,1 Для воспроизведения стереофонических и монофониче- ских пластинок с узкой канавкой при прижимной силе звукоснимателя не более 70 мН К 70/1,2 К 70/1,5 70±?в 1,2±0,1 1,5+0,1 Для воспроизведения монофонических пластинок с ши- рокой канавкой при прижимной силе звукоснимателя не более 100 мН Таблица 9.10. Марки и размеры алмазных игл Условное обозначение нглы а или с/, мм /±0.1. мм Масса, мг Область применения I 0,27/0,8 II Кв 0,27/0,5 II Кв 0,27/0,7 | 0,27 0,8 0.5 0,7 0,11...0,17 0,04...0,09 0,08-0,14 В головках ЭПУ высшего класса II Кв 0,27/0,8 11 Кв 0,27/1.0 11 Кв 0,27/1,2 | 0,27 0,8 1,0 1,2 0,12.0,18 0,16...0.23 0.20...0.28 В головках ЭПУ первого клас- са 11 Кр 0,30/0,5 II Кр 0,30/0,7 } 0,30 0,5 0,7 0.04...0.07 0,07-0,15 В головках ЭПУ высшего класса II Кр 0,30/0,8 11 Кр 0,30/1.0 II Кр 0,30/1,2 | 0,30 0,8 1,0 1,2 0,09-0.17 0,12-0,22 0,16-0,26 В головках ЭПУ первого клас- са II Кр 0,35/0.5 II Кр 0,35/0,7 11 Кр 0,35/0,8 | 0,35 0,5 0,7 0,8 0,07-0.10 0,10-0,17 0,12-0,22 __ 11 Кр 0,35/1.0 II Кр 0.35/1.2 } 0.35 1,0 1,2 0,17-0,29 0,22-0,35 В головках ЭПУ второго и третьего классов 11 Кр 0,40/0,5 II Кр 0,40/0,7 11 Кр 0,40/0,8 0,40 0,5 0,7 0,8 0,10-0,14 0,11-0,23 0,15-0,27 В головках ЭПУ первого клас- са 11 Кр 0,40/1,0 II Кр 0,40/1,2 } 0,40 1,0 1,2 0,22-0,36 0,29-0,48 В головках ЭПУ второго и третьего классов 238
Тивовес 3, служащий для уравновешивания звукоснимателя в вертикальной плоскости с целью уменьшения прижимной силы На изог нутом конце трубки находится держатель го- ловки 4. Расстояние от вертикальной оси поворот- ной иожки до острия иглы L называют рабочей длиной тонарма (рис. 9.16). Оно составляет 185 ... 230 мм. Расстояние от вертикальной оси поворотной ножки до оси шпинделя диска D называют установочной базой: D <; L. Угол Ф называют горизонтальным углом по- грешности нескорректированного тонарма, угол р горизонтальным углом коррекции, угол а — углом погрешности скорректированного тонарма, радиус R„, для которого определяют угол Ф, промежуточным радиусом. Выбором изогнутой формы тонарма и его размеров можно свести горизонтальный угол погрешности а к минимуму. Расчет начинают с определения промежу- точного радиуса каиавки Яп = У[(/?т1п+Яmax )2/2-|~37?min Rmax — — (Ящ1п4 ^?тах)/2- Если задана установочная база D (рис. 9.16), то рабочая длина тонарма £ = 1'/*£)2 + /?п, если задана L, то D — L2 — Rn- Угол кор- рекции Р находят из уравнения ffmln Rn f / Rn V ,Д sin R — _ 2E Rn) Lk ^?mln / J при этом горизонтальный угол погрешности а = Ф — Р, а угол Ф определяют из выраже- ния sin<p=(£2 — D2-\- R2)/2RL. Нелинейные искажения, обусловленные гори- зонтальным углом погрешности, проявляются в виде второй гармоники воспроизводимого сигнала. Коэффициент второй гармоники в процентах 8,35i>tp сс А гг ~ л R где — амплитуда колебательной скорости записи, см/с, п — частота вращения пластин- ки, об/мин, R — радиус канавки, см, а — угол погрешности, градуса. Пусть 7?п1ах = 146 мм, — 60 мм Тогда Ru — 92 мм. Примем для высококачест- венного ЭПУ D = 210 мм. Тогда L = - 1/2102 + 922 = 230 мм, sin Р = 0,4, Р = = 24°. Определим для промежуточного радиу- са канавки угол Ф Поскольку sin Ф 0,39 Ф = 23° и горизонтальный угол погрешности а = 23—24 = — 1 Коэффициент второй гармоники при номинальной амплитуде коле- бательной скорости 10 см/с и частоте вращения пластинки 33 1/3 об/мин 8,35-10 I Кг, =—4---------— = 0,28%, rs 33,33 9,2 что достаточно хорошо. Рис. 9.16. Геометрия тонарма рычажного типа Для ЭПУ среднего качества принимают Е= 185 мм. Р 175 мм, Р= 20е. Для уменьшения нелинейных искажений, создаваемых звукоснимателем, необходимо, чтобы вертикальный угол воспроизведения 0 (рис. 9.17, б) был возможно ближе к вертикаль- ному углу записи -у (рис. 9.17, а). Угол у стан дартизован и равен 15°. Допустимые различия углов 0 и у не должны превышать ±5С. Нели- нейные искажения, обусловленные различием углов 0 и у, оценивают коэффициентом гармо ник = (tg В-tgy)-100%, v причем vm — амплитуда колебательной скоро- сти записи, см/с, v — скорость перемещения канавки относительно иглы. Несовпадение углов 0 и у является причи- ной уменьшения переходного затухания меж- ду стереоканалами В плоскости, проходящей через радиус пластинки, геометрическая ось иглы должна быть перпендикулярна пластинке (рис. 9.18). Отклонение в этой плоскости оси иглы от верти кали ухудшит переходное затухание между стереоканалами и вызовет нелинейные иска- жения. Так как угол раскрытия каиавки ра- вен 90°, а угол конической части иглы состав- ляет 50°, то отклонение оси иглы от вертикали на ±10° считается допустимым На любой тонарм, изогнутый под горизон- тальным углом коррекции Р, во время воспро- изведения записи действует момент, стремя- Рис. 9.17. Вертикальные углы записи (а) и воспроизведения (б) 239
Рис. 9.18. Правильная установка головки зву- коснимателя иад канавкой щийся повернуть тонарм к центру пластинки. Сила, вызывающая этот момент, называется скатывающей. Под воздействием скатываю- щей силы повышается давление на внутреннюю стенку канавки и ослабляется давление на внешнюю стенку, что нарушает баланс стерео- сигналов, вызывает нелинейные искажения и усиливает износ внутренней стенкн канавки. Действие скатывающей силы чаще всего ком- пенсируют грузиком, подвешенным на нити и связанным с хвостовой частью тонарма, либо пружиной, препятствующей повороту тонарма к центру пластинки. ДВИГАТЕЛИ Движущий механизм обеспечивает враще- ние диска ЭПУ с постоянной частотой, не за- висящей от колебаний напряжения сети, изме- нений температуры и, главное, от изменений тормозящего действия, обусловленного давле- нием звукоснимателя на пластинку. Желате- лен большой начальный вращающий момент, чтобы диск быстро достигал номинальной час- тоты вращения. Поле рассеяния двигателя не должно наводить заметного напряжения по- мех в электрической цепи звукоснимателя, а механические вибрации не должны переда- ваться подвижной системе звукоснимателя. Основной частью движущего механизма служит электродвигатель. Чаще всего для вращения диска используют асинхронные од- нофазные электродвигатели переменного то- ка или конденсаторные электродвигатели, ре- же синхронные электродвигатели. Все шире начинают применять прямой привод диска низкоскоростными электродвигателями с электронной стабилизацией частоты. В ЭПУ с автономным питанием используют коллектор- ные электродвигатели с электронной стаби- лизацией частоты вращения. Двигатели пере- менного тока питают от осветительной сети, чаще всего напряжением 220 В, двигатели по- стоянного тока питают от встроенных в ЭПУ гальванических источников постоянного тока— батарей. Однако частота сети при перегрузке сети уменьшается и отличается от 50 Гц. По- этому в дорогих моделях ЭПУ двигатель пита- ется от транзисторного генератора со стабиль- ной частотой. Для изменения частоты враще- ния переключают элементы колебательного контура генератора. Плавную перестройку частоты вращения производят с помощью раз- личных тормозящих устройств, например, изменяя расстояние между магнитом и враща- ющимся диском, в котором под действием магнитного поля возбуждаются вихревые то- ки (токн Фуко). Необходимость в плавной под- стройке частоты вращения возникает, напри- мер, в том случае, когда слушатель хочет урав- нять тональности звучания грампластинки и имеющегося у него музыкального инструмента. Различают двигатели с мягкой и жесткой электромеханической характеристикой. У пер- вых частота вращения зависит от вращающего- ся момента (нагрузки), у вторых нет. Поэто- му первые непригодны для использования в ЭПУ. В ЭПУ необходимо применять двигате- ли с жесткой электромеханической характе- ристикой. Частота их вращения в определен- ных пределах не зависит от изменения на- грузки. Такой характеристикой обладают син- хронные двигатели и асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором типа «беличьего колеса», а также асинхронные конденсаторные двигатели. Для получения пускового вращающего мо- мента статор синхронных двигателей изготов- ляют с расщепленными полюсами. В каждом полюсе делают прорезь. На меньшую, расщеп- ленную часть каждого полюса надевают ко- роткозамкнутый виток. Поле этой части полю- са совместно с полем остальной части полюса создает требуемое вращающееся магнитное по- ле. Другое решение этой задачи — применение в статоре двух обмоток, одна нз которых вклю- чается в сеть через конденсатор. Этим обеспе- чивается сдвиг фаз токов примерно на 90° и получение вращающегося магнитного поля. Синхронные двигатели чаще всего имеют безобмоточный ротор с явно выраженными по- люсами. Вращающийся момент создается взаи- модействием вращающегося магнитного поля статора с полем полюсов ротора. Первое соз- дается таким же путем, как и в асинхронных двигателях. В результате ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. Это — так называемые реактивные двигатели. В некоторых ЭПУ используют гистерезис- ные двигатели, ротор которых выполнен из магнитотвердого материала, т.е. материала с широкой петлей гистерезиса, как у постоян- ных магнитов. В асинхронных двигателях частота враще- ния ротора Fp всегда несколько меньше часто- ты вращения магнитного поля статора Fc. Возникает так называемый эффект скольже- ния. Коэффициент скольжения s является от- ношением частоты скольжения Fs = Fc —Fv к частоте вращения статорв: s — F8/Fc= (F c—Fp)/ Fc. Отсюда Fp~Fc (1—s). В двигателях ЭПУ s = 5 ... 7 %. Частота вращения магнитного поля ста- тора Fc = 60f/p, где f — частота сети, р — число пар полюсов. Этой же формулой определяется частота вра- щения синхронного двигателя. 240
Таблица 9.11. Параметры двигателей переменного тока Марка Напряже- ние, В Потреб- ляемая мощность, Вт Мощность на валу, Вт кпд. % Частота враще- ния, мин-1 Момент на валу, Н-см номиналь- ный пусковой макси- мальный ЭДГ-1М 220 35 . 2800 1,2 ЭДГ-4 127 10 — — 2800 — 0,45 — ЭД Г-6 127 12 — — 2750 ±100 — 0,35 — ЭД Г-60 127 12 —. .—. 1400 — ЭДГ-2 НО 20 — — 2800 — 0,8 — ЭДГ-2К 220 20 — — 2800 — 0,8 — АКД4-2 220 24 4 18 2680 1,22 — АД-5 127 27 6 22 1400 4,2 3,5 11 КД-3,5А 127 24 6 25 1400 4,2 2,5 7,5 КД-6-4 220 27 6 22 1400 4,2 3 7,5 СД-6 127/220 12,5 6 48 3000 2 1,2 6 АДТ 127/220 9 1,6 18 2710 ±100 0,61 0,51 1,25 1,6/10—2 АД Т-6 127/220 15 6 40 2930 2,1 — 3,75 В дешевых ЭПУ число пар полюсов равно единице, поэтому частота вращения ротора прн частоте сети 50 Гц составляет 3000 мин-1. Для уменьшения помех от вибраций применя- ют двигатели с большим числом пар полюсов Ойо достигает 8 .12 Частота вращения со- ставит при этом 375 250 мин-1. Мощность электродвигателя ЭПУ выбира- ют на основе следующих соображений. Между иглой н звуковой канавкой вращающейся пластинки возникает трение, сила которого feEnp тр~ 2 sin (у/2) ' где k — коэффициент трения, Епр — прижим- ная сила, у — угол раскрытия звуковой ка- навки. Пусть k = 0,3, Епр = 0,08 Н, у = 90 . Тогда ЕТр = 0,017 Н. Наибольший вращающий момент М полу- чается при движении иглы по канавке макси- мального радиуса 7?тах Для формата Ф30 О1пах = 292 мм и Етах = 146- 10-3 м, М — — ^тр^тах = 0,017 146 10-3 = 2,55 X Х10- з Н .м Мощность электродвигателя без учета его КПД и потерь в движущем механизме Р ~ ~0,1 Мп = 0,1 • 2,55 - 10—3 = 85 • 10-« « ~0,1 Вт. Практически мощность, отбираемая от электродвигателя при номинальной нагруз- ке, не превышает 0,3 Вт. Параметры некоторых электродвигателей переменного тока, используемых в ЭПУ, при- ведены в табл. 9 11, а электродвигателей по стоянного тока — в табл. 9 12 Требования к нестабильности частоты вра- щения вытекают из следующих соображений. Отклонение частоты вращения от номинальной на 1,5 % вызывает изменение частоты записан- ного звука на 15 Гц, что соответствует пример- но 1,8 октавы. Это заметно на слух при сравне- нии с исходным звучанием. Частоту вращения проверяют стробоскопическим способом, наб- людая черные и белые полосы, расположен- ные на краю диска и освещаемые безынерцион- ным источником света, например неоновой лам- пой. Если полосы кажутся неподвижными, частота вращения равна номинальной. Коли- чество пар полос стробоскопа k = 60 2f / Ед = 6000/ Ед, где f — частота тока питающей сети, Ед— частота вращения диска (мин-1). Множитель 60 введен для того, чтобы перевести Ед из мин-1 в с-1. Пусть, например, Ед = 33 1/3 мин-1. Тогда k ~ 180. Если для одной из заданных частот вращения k не получается целым, его округляют до ближайшего целого (например, для Ед = 45 мин-1 k = 133,33). В этом слу- чае частота вращения равна номинальной лишь с некоторой степенью приближения (погреш- ность составит практически несколько деся- тых процента). Таблица 9.12. Параметры двигателей постоянного тока Марка О X X <и * к с го Хи Потреб- ляемая мощность, Вт Мощность на валу, Вт Частота вращения, мии~1 4 Д КС-8 12—16 1,75 0,8 2000+30 ДРВ-0,1 6—9 — — 2000+30 241
Неподвижные полосы будут наблюдаться прн изменении частоты вращения в кратное число раз. Поэтому можно стробоскоп, рас- считанный на проверку частоты 33 1/3 мии~1, использовать для проверки вдвое меньшей но- минальной частоты. Для лучшего различения кратных частот вращения рекомендуют чер- ные полосы стробоскопа делать более узкими, чем промежутки между ними Тогда при про- верке частоты вращения 16 2/3 мин-1 с помо- щью полос, рассчитанных для проверки часто- ты 33 1 3 мин-1, в середине светлых полос бу- дут видны более бледные черные полосы. Эго позволит избежать ошибок при контроле час- тоты 16 23 мин-1 Если черные н светлые полосы нанести на цилиндрическую часть диска по каким-либо причинам невозможно, изготовляют стробо- скоп в виде круга с темными и светлыми секто- рами и накладывают его на диск ЭПУ. Провер- ка частоты вращения этим способом менее точ- на, поскольку не учитывается нагрузка диска звукоснимателем, вызывающая скольжение и несколько уменьшающая частоту вращения. Слух довольно чувствителен к детонации— периодическим изменениям высоты тона, обусловленным неточностями изготовления вращающихся частей движущего механизма или неточным расположением осевого отвер- стия пластинки. Так, например, слух замеча- ет отклонения частоты на 1,5 Гц от частоты 1000 Гц, если эти отклонения совершаются четыре раза в секунду. Медленные изменения частоты вращения с частотами от 0,5 ... 5 Гц вызывают ощущение «плавания» звука, а бо- лее частые — с частотами от 5 до 100 Гц про- слушиваются как «дробление» звука. Слух на- иболее чувствителен к изменениям частоты, присходящнм четыре раза в секунду Поэтому ЭПУ проверяют на детонацию со «взвеши- вающим» фильтром, коэффициент передачи которого максимален именно на 4 Гц (см. рис 9 35). У высококачественных ЭПУ коэффициент детонации не должен превышать 0,1 %. Это довольно строгое и трудно выполняемое тре- бование, так как эксцентриситет центрального отверстия пластинки достигает иногда 0,2 мм (при норме 0,15 мм), а это при радиусе канав- ки 100 мм вызывает изменение частоты звука на 0,2 % с частотой 0,55 Гц, что после учета АЧХ «взвешивающего» фильтра соответствует коэффициенту детонации 0,078 % и близко к .максимально допустимой величине. Рис. 9 19 Схема движущего механизма грам- мофонного проигрывателя При вполне исправном и удовлетворяющем нормам ЭПУ заметная детонация может быть вызвана короблением пластинок. Поэтому допустимое коробление пластинок оговаривает- ся нормами (оно не должно превышать 1,5 мм). Характерным недостатком движущего меха- низма ЭПУ является рокот. Это — низкочас- тотная помеха, обусловленная передачей виб- раций движущего механизма головке звуко- снимателя Пути передачи вибраций от дви- гателя к головке показаны на схеме движуще- го механизма (рис. 9.19, где 1 —двигатель, 2 — ступенчатая насадка, служащая для из- менения частоты вращения, 3 — промежуточ- ный ролик, 5 — основание ЭПУ, 6 — поворот- ная ножка звукоснимателя, 7 — тонарм, 8— головка Аферами борьбы с передачей вибраций служат: лучшая балансировка ротора двига- теля, амортизация двигателя с помощью пру- жин 9, амортизация тонарма) Радикальной мерой уменьшения вибраций является исполь- зование двигателей с небольшой частотой вра- щения. Количественной мерой рокота служит уровень рокота. Его выражают через отноше- ние напряжения помехи Un, обусловленной рокотом, к номинальному напряжению сигна- ла UCHOK частоты 315 Гц, записанного прн амп- литуде колебательной скорости 5,4 см/с: A/ = 20lg(l/n/(/CHoM)- Уровень рокота измеряют при посредстве фильтров X или Y (рис. 9.11). Фильтр X име- ет горизонтальную АЧХ в диапазоне частот 10 ... 500 Гц и спады в области более низких частот с крутизной 6 дБ на октаву, а в обла- сти более высоких частот 12 дБ иа октаву. Такой фильтр ослабляет помехи, обусловлен- ные короблением пластинки. Фильтр Y обла- дает АЧХ, спад которой начинается на часто- тах ниже 315 Гц. Этим имитируется снижение чувствительности слуха на нижних частотах. Поэтому результат измерения с этим фильтром более соответствует слуховому ощущению. Ввиду срезания низкочастотных составляю- щих помехи результат измерения получается лучше (меньше), чем при измерении с фильт- ром X. 9.3. ФОТОГРАФИЧЕСКАЯ ЗВУКОЗАПИСЬ ОСНОВЫ ФОТОГРАФИЧЕСКОЙ ЗВУКОЗАПИСИ Фотографическая запись основана на воз- действии светового потока на светочувстви- тельный слой носителя записи — киноленты (рис. 9.20, а). Электрический сигнал от микро- фона М через усилитель записи УЗ поступает на модулятор света МС. Промодулированный световой поток образует на светочувствитель- ном слое негативной ленты НЛ узкий пишу- щий штрих переменной ширины или перемен- ной интенсивности. После фотохимической об- работки и копирования образуется позитив- 242
Рис. 9 20. Схема фотографической записи звука (а) и получаемые оптические фоно- граммы переменной ширины (б) и переменной плотности (в) иая фонограмма ПФ. Прн воспроизведении ис- точник света — читающая лампа ЧЛ — с по- мощью оптической системы О создает в плоско- сти позитивной фонограммы узкий читающий штрих. Промодулированный фонограммой световой поток попадает на фотоэлемент ФЭ (или фотоэлектронный умножитель). Различают фонограмму переменной ширины (рис. 9.20, б) и переменной плотности (рис 9.20, в) В первом случае ширина фоно- граммы меняется, а прозрачность остается по- стоянной, во втором — при неизменной шири- не фонограммы меняется ее прозрачность. Преимущество способа переменной плотности— более широкая полоса частот, так как он менее критичен к точности устаиовки пишуще- го штриха. Но при записи способом перемен- ной плотности требуется тщательный подбор режима проявления, при отступлении от него увеличиваются нелинейные искажения. Кроме того, отдача фонограммы переменной плотно- сти меньше отдачи фонограммы переменной ширины. По указанным причинам в настоящее время в подавляющем большинстве случаев используют фонограмму переменной ширины. В зависимости от конструкции модулятора света фонограмма получается односторонней (рис. 9.20, б), двусторонней (симметричной) и даже с несколькими одинаковыми дорож- ками. Ширину пишущего штриха выбирают рав- ной примерно 5 мкм, что позволяет уменьшить нелинейные искажения записи и получить осве- щенность пишущего штриха порядка 10е лк. Это облегчает процесс записи Ширину чита- ющего штриха берут больше, примерно 20 мкм, чтобы увеличить световой поток, падающий на фонограмму, и соответственно увеличить фото- ток. В качестве модулятора света используют преобразователи электромеханического типа (зеркальный гальванометр, гальванометр с подвижной заслонкой, ленточный и петлевой осциллографы), электрооптического типа (с лампой тлеющего разряда или с ячейкой Керра) и электронно-лучевого типа (электрон- но-лучевая трубка). ПАРАМЕТРЫ ФОТОГРАФИЧЕСКИХ ФОНОГРАММ Основными параметрами фотографических фонограмм служат: коэффициент пропускания Т, пропускание фонограммы Т, оптическая от- дача, коэффициент модуляции kM (или т), от- ношение сигнал-помеха и связанный с этим отношением динамический диапазон фоно- граммы. Коэффициент пропускания — отношение прошедшего через фонограмму светового пото- ка Fnp к падающему потоку Fnaa т ~ Fпр/Fцац. Логарифмической мерой коэффициента про- пускания служит оптическая плотность D = 1g (Ьт). При т = 0 D = оо, при т = 1 D = 0. Зависи- мость оптической плотности от экспозиции И = Et, где Е — освещенность, / — время экспозиции, показана на рис. 9.21. Минималь- ное значение оптической плотности DB для не- экспонированной киноленты, т. е. при И = 0, определяется вуалью. Пропускание фонограммы Т — усредненная величина коэффициента пропускания в преде- лах бесконечно узкого читающего штриха за- данной (нормированной) длины (рис. 9.22). Вдоль фонограммы пропускание изменяется Оно содержит постоянную Т„ и переменную Т_ составляющие. В случае идеализирован- ной односторонней фонограммы, у которой тсв — I и тт 0, с записью синусоидального процесса (Т'шах—7'о = = (T'rnax + Т min) /2. Рис. 9.21. Зависимость коэффициента пропу- скания т и оптической плотности D от экс- позиции Е 243
Амплитуда переменной составляющей про- пускания фонограммы Тт определяет опти- ческую отдачу фонограммы. Отношение амплитуды переменной состав ляющей Тт к постоянной составляющей То называют коэффициентом модуляции фоно- граммы kft — Т~/Те = (Т,пах — /’mln) (7'max + /"mln) • где 7"max и T^nln — максимальное и минималь- ное значения пропускания. Практически невозможно получить тсв= 1 итт = 0. С учетом этого обстоятельства ^м~(тсв тт)/(тсв .Тт)- Обычные значения тсв ~ 0,8, тт ~ 0,03. Тогда kK ~ 0,9. Для увеличения оптической отдачи применяют высококонтрастную ленту. В фонограмме переменной плотности коэф- фициент пропускания по ширине дорожки за- писи постоянен. Поэтому Т = т. При неиска- женной передаче синусоидального процесса 7’_=(ттах — Tniin)/2, 7'о = (ттах-]- “(Tniin)/2 =Td; •= (tniax Tniln)/(Tmax т- "t"Tmln) • где тшах и Tmln — максимальный и минималь- ный коэффициенты пропускания дорожки за- писи, т0 — коэффициент пропускания в паузе записи. Чтобы фонограмма переменной плотности ие вносила нелинейных искажений, необходи- ма прямо пропорциональная зависимость плот- ности от экспозиции, но такая зависимость фактически нелинейна (см рис. 9.21). Правда, нелинейности негативного и позитивного про- цессов взаимно обратны. Поэтому происходит частичная компенсация нелинейных искаже- ний. Степень компенсации сильно зависит от режима фотохимической обработки, поэтому обеспечить приемлемый коэффициент гармо- ник довольно трудно и способу записи с фоно- граммой переменной плотности свойственны заметные нелинейные искажения. Рис. 9.22. К объяснению оптических характе- ристик односторонней фонограммы перемен- ной ширины; штриховой линией показаны различные положения читающего штриха ПОМЕХИ И НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ ФОТОГРАФИЧЕСКОЙ ЗАПИСИ Помехи фотографической записи в значи тельной мере определяются зернистостью фо- тографической эмульсии. Она вызывает слу- чайные изменения пропускания фонограммы Ти. Изменения пропускания оценивают вели чиной где а — площадь зерна, q — площадь читаю- щего штриха, т0 — среднее значение коэффи- циента пропускания в пределах читающего штриха. Примем в соответствии с действительно- стью длину и ширину читающего штриха 2,15 и 0,02 мм. Тогда q = 0,043 мм2. Пусть а = ==4-10“ мм2. Для оптической фонограммы переменной ширины тсв = 0,8, тт = 0,03, = 0,9 В паузе зачернена половина до- рожки записи. Поэтому 7’о = (Г1пах+Г„111,)/2=(О,8+О,ОЗ)/2 = =--0,415, T~-kM 7'о = 0,9 0,415 =0,38; то= (Тсв + тт)/2 = 0,415; Г 4-10« 7'п=1/ ------------0,415(1—0,415) - I/ 4,3-10 2 ' ’ = 4,74.10-3; С/П = 7'_/7'I1 = 0,415/5,74 10~3 = 80 (38 дБ). Царапины и грязь уменьшают отношение С/П до 33 ... 35 дБ. Для фонограммы пере- менной плотности С/Пяе30 дБ. Путем примене- ния шумоподавителя отношение С/П улуч- шают примерно в 2.5 раза (на 8 дБ). Принцип действия шумоподавителя; вы- прямленное напряжение сигнала управляет положением заслонки (маски) модулятора све- та так, что ширина дорожки в паузе и при сиг- налах небольшого уровня минимальна. Благо- даря этому шум в паузе и при сигналах малого уровня уменьшается. Чтобы автоматическое регулирование ширины дорожки не создавало ощущения искажений, длительность перехода от минимальной ширины дорожки к мак- симальной (время открытия) должна состав лять 15 . 20 мс, а длительность обратного перехода (время закрытия) 0,15 ... 0,25 с. При формировании фонограммы перемен- ной плотности управляющее напряжение сме щает рабочую точку на характеристике нега- тивного процесса D = f (Н) в сторону мень- ших экспозиций при записи сигналов неболь- шого уровня, что уменьшает коэффициент про- пускания позитивной фонограммы и тем самым уменьшает влияние загрязненности фонограм- мы в процессе эксплуатации фонограммы. Щелевые искажения возникают вследствие конечной ширины читающего штриха. В ре- зультате усредняются (интегрируются) быст- 244
Рис. 9.23. Заплывание фотографической фонограммы (а) и компенсация этого искаже- ния прн печати позитива (б), многодорожечная оптическая фонограмма (в) 6) рые изменения светового потока фонограммы, соответствующие высоким частотам записи. Коэффициент щелевых искажений Кщ = (sin х/х), где х л&К, 6 — ширина штриха, X — длина волны записанных колебаний. Пусть б = 20 мкм, /тах = 10 кГц, ско- рость движения фонограммы v = 456 мм/с. Тогда Л1П1П = v//max ~ 456 10 4 мм = — 45,6 мкм, х 3,14-20,45,6 0,158 и Л'ш = -= 0,7 (-3 дБ). Для уменьшения щелевых искажений нуж- но сужать читающий штрих. Но при этом уменьшается чувствительность воспроизводя- щего устройства и более резко проявляется непараллельность пишущего и читающего штрихов. Компромиссом является ширина чи- тающего штриха 20 мкм. Искажения заплывания обусловлены появ- лением на границах дорожки записи фотогра- фической фонограммы переменной ширины зон с переходной оптической плотностью, возник- новение которых вызвано светорассеянием внутри толщи слоя эмульсин (рис 9.23, в). Заплывание проявляется тем сильнее, чем короче длина волны записи, и приводит, как и щелевые искажения, к ухудшению передачи высокочастотных составляющих, а также к по- явлению четных гармоник. Искажения заплы- вания негативной фонограммы в некоторой степени компенсируются при печати позитив- ной фонограммы (рис. 9.23, б). Искажения за- плывания значительно уменьшаются при ис- пользовании многодорожечной фонограммы (рис. 9 23, в) Искажения из-за неточной настройки чи- тающего штриха вызваны тремя причинами: неточной фокусировкой светового луча, при этом в плоскости фонограммы не образуется четко очерченного штриха, что равносильно расширению штриха; неравномерностью ос- вещенности по длине штриха, что приводит к нелинейным искажениям; непараллельно- стью пишущего и читающего штрихов, что так- же эквивалентно расширению читающего штриха. Спад АЧХ на верхних частотах, обу- словленный непараллельностью штрихов, оп- ределяется коэффициентом перекоса А" пер-- (sinz)/z, где г = л/ tg а/Х, / — максимальная ширина дорожки записи (длина пишущего штриха), а — угол перекоса штрихов Пусть ширина штриха б = 20 мкм, макси- мальная ширина дорожки записи /= 1,5 мм (для фонограммы на 16-мм киноленте), угол перекоса а = 30', /1пах — 6 кГц, чему соот- ветствует длина волны записи при скорости v = 183 мм/с Xmi„ = 183-103/6-103 = 30 мкм. Коэффициент перекоса составит 0,68 (—3,3 дБ). РАЗМЕЩЕНИЕ ФОТОГРАФИЧЕСКОЙ ФОНОГРАММЫ НА КИНОЛЕНТЕ Практически используются киноленты ши- риной 70; 35; 17,5; 16 и 8 мм, причем фотогра- фическая фонограмма предусмотрена только на лентах шириной 35, 16 и 8 мм (последняя типа Супер) Расположение дорожек показано на рис. 9.24. Размеры и расположение дорожек для лент шириной 35 мм определены ГОСТ 20059—74 и для лент шириной 16 мм — ГОСТ 11360—65. Скорости движения фотогра- фических фонограмм кинофильмов равны соот- ветственно 456 мм/с и 183 мм/с при частоте про- екции 24 кадра в секунду, принятой в кине- матографе, и 475 мм/с и 190 мм/с при частоте проекции 25 кадров в секунду, принятой в те- левизионном вещании (см. табл. 9.13). Таблица 9.13. Номинальные скорости движения киноленты при записи и воспроизведении звука Скорость движения Ширина Скорость движения кинолен- ты, мм кадр/с мм/с кинолен- ты, мм кадр/с мм/с 70 24 570 8 18 76,1 35 и 17,5 24 456 8 24 91,5 35 и 17,5 25 475 8 25 95,5 16 18 137 Супер-8 18 76,1 16 24 182,8 Супер-8 24 101.5 16 25 190,5 Супер-8 25 105.7 245
Рис. 9.24. Размещение фотографической фонограммы иа киноленте шириной 35 мм (а), 16 мм (б) и 8 мм (в) Поскольку проекция изображения осуще- ствляется при скачкообразном движении ки- ноленты, а воспроизведение фонограммы долж- но осуществляться при непрерывном движении ленты, изображение и звук сдвинуты относи- тельно друг друга так, что фонограмма опере- жает центр относящегося к нему изображения на 21 ±0,5 кадра на 35-мм ленте, на 26±0,5 кад- ра на 16-мм лейте и на 22 ± 1 кадр на ленте Супер-8. При движении лента смещается вле- во вправо от направления перемещения. Чтобы эго не нарушало воспроизведения фонограм- мы, длину читающего штриха устанавливают несколько больше максимальной ширины до- рожки записи, например для фонограммы на 35-мм ленте — 2,15 мм. Фотографическая фонограмма, как прави- ло, используется лишь в массовых копиях ки- нофильмов. Все предварительные и промежу- точные процессы записи звука ведутся магнит- ным способом (см. § 9.4). 9.4. МАГНИТНАЯ ЗВУКОЗАПИСЬ ОСНОВЫ МАГНИТНОЙ ЗВУКОЗАПИСИ Магнитная звукозапись основана на свой- стве ферромагнитных материалов намагничи- ваться под воздействием магнитного поля и Рис. 9.25 Структурная схема магнитофона сохранять остаточное намагничивание по вы- ходе из этого поля. По мере надобности полученную фонограмму можно стереть пере- менным магнитным полем. Магнитная запись в аппарате магнитной записи звука — магнитофона — осуществля- ется следующим образом. Записываемые элект- рические сигналы со входа через усилитель за- писи УЗ поступают в обмотку головки записи ГЗ и создают в ее сердечнике магнитный поток (рис. 9.25). Поле магнитной головки намагни- чивает ленту и преобразует временные измене- ния сигнала в пространственные изменения остаточной намагниченности ленты. В сердеч- нике головки воспроизведения ГВ, с которым соприкасается движущаяся магнитная фоно- грамма, возбуждается магнитный поток. Изме- нения потока создают ЭДС в ее обмотке. Она подводится к усилителю воспроизведения УВ. Стирание ненужной записи осуществляется го- ловкой стирания ГС, питаемой током высокой частоты от генератора стирания и подмагни- чивания ГСП. Последний служит также для подмагничивания ленты с целью линеаризации процесса записи. Лентопротяжный механизм содержит веду- щий двигатель Д2, к оси которого лента при- жимается прижимным роликом Р, подающий узел, снабженный двигателем Д2, и приемный узел, снабженный двигателем Д3. Вращающий момент двигателя Д2 направлен противополож- но вращающим моментам двигателей Д1 и Д3. Благодаря подтормаживающему действию двигателя Д2 лента находится в натянутом со- стоянии и плотно прилегает к сердечникам го- ловок. Во многих бытовых магнитофонах функ- ции двигателей объединяются в одном с целью уменьшения массы, размеров и снижения стоимости. Большинство магнитофонов выполняют в настоящее время многоканальными. Каждому каналу записи соответствует отдельная до- рожка, поэтому фонограмма содержит не- сколько параллельных дорожек и называет- ся многодорожечной. 246
НАМАГНИЧИВАНИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ Ферромагнитные материалы состоят из множества небольших областей (доменов), са- мопроизвольно намагниченных до насыщения. Магнитные моменты доменов ориентированы хаотически, в результате чего общая намагни- ченность материала равна нулю. Внешнее магнитное поле изменяет ориентацию доменов, вследствие чего начинают проявляться внеш- ние признаки намагниченности. Процессы намагничивания ферромагнит- ных материалов описывают зависимостями магнитной индукции В или намагниченности J от напряженности внешнего магнитного поля Н Напряженность результирующего магнит- ного поля внутри образца равна сумме на- пряженностей внешнего Н и внутреннего Дян магнитных полей: =Я4-ЯВН. . Магнитная индукция в образце В = р» = ц0 р// == ц0 Н |-//вр —• Во И J> где Цо = 4л 10_‘ — магнитная проницае- мость вакуума, Гн/м; р — относительная магнитная проницае- мость образца. Таким образом, магнитная индукция харак- теризует результирующее магнитное поле об- разца, а намагниченность — лишь внутрен- нее. Графически процессы намагничивания изо- бражают кривыми намагничивания началь- ной кривой /, получаемой при намагничивании ранее размагниченного образца, и предель- ной кривой намагничивания — петлей гисте- резиса 2, получаемой в результате многократ- ного перемагничивания образца (рис. 9.26). Характерными точками этих кривых являют- ся напряженность насыщения Н8, соответст- вующая насыщению материала Jlnax, макси- мальная остаточная намагниченность Jrmaii, получаемая после снятия намагничивающего поля, коэрцитивная сила Нс — напряженность поля обратного знака, которую необходимо приложить, чтобы намагниченность стала рав- ной нулю. Отличительной особенностью про- цесса намагничивания ферромагнитных мате- риалов является отставание намагниченности от напряженности внешнего намагничивающе- го поля Н при его уменьшении Это явление собственно и называется гистерезисом Сле- дует отметить, что петля гистерезиса по намаг- ниченности J = fi (Н) после достижения на- сыщения имеет горизонтальный участок, а петля гистерезиса по индукции В = /2 (Н) имеет наклонный участок, обусловленный воз- растанием Н (рис. 9.27). Для характеристики процесса намагничивания важное значение имеет зависимость остаточной намагниченно- сти Jr max = /з(^). Ее получают графическим построением из зависимости J — ft (И) (рис. 9.28). Следует также отметить, что приве- денные зависимости справедливы только для Рис 9.26. Процессы намагничивания замкнутых (кольцевых) или бесконечно протя- женных образцов. При намагничивании образ- цов конечной длины возникает внутреннее размагничивающее поле, направленное на- встречу внешнему, возникает эффект размаг- ничивания. Этот эффект выражен тем сильнее, чем больше отношение площади поперечного сечения к длине образца. АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ Способу магнитной записи присуща боль- шая зависимость коэффициента передачи скво- зного канала записи — воспроизведения от частоты. Частотные искажения возникают как в процессе взаимодействия головки записи с носителем записи, так и в процессе взаимодей- ствия фонограммы с головкой воспроизведе- ния. В области нижиих и средних частот ам- плитудно-частотная характеристика имеет вид наклонной прямой. Крутизна наклона состав- ляет 6 дБ на октаву, т. е. каждому удвоению частоты записанного сигнала соответствует увеличение вдвое ЭДС головки воспроизведе- ния (рис. 9.29) Это объясняется тем, что го- ловка воспроизведения реагирует на скорость изменения магнитного потока фонограммы при синусоидальном сигнале ЭДС пропорцио- нальна частоте е = с!Ф/ d.t = соФт cos <о/, Рис 9.27. Зависимость магнитной индукции В и намагниченности / от напряженности маг- нитного поля fl 247
Рис. 9.28. Зависимость намагниченности / и остаточной намагниченности Jr от направлен- ности магнитного поля Н где Фт — амплитудное значение магнитного потока, со — круговая частота. На более высоких частотах крутизна подъ- ема характеристики уменьшается, а затем на- чинается спад Вид АЧХ в области верхних частот в значительной мере зависит от разме- ров и магнитных свойств головок и лент, а также от расположения носителя записи отно- сительно головок. Иначе говоря, вид АЧХ в области верхних частот определяется геомет- рией магнитных полей головок и носителя за- писи. Причины амплитудно-частотных искаже- ний на верхних частотах следующие: протяженность магнитного поля головки записи за пределы зазора, приводящая к час- тичному стиранию полем головки записи по- лучаемой фонограммы (явление самостирания); саморазмагиичивание фонограммы, обуслов- ленное конечной протяженностью намагни- ченных участков фонограммы; конечная шири- на рабочего зазора головки воспроизведения и возникающие из-за этого щелевые искажения; непараллельность зазоров головок записи и воспроизведения (относительный перекос за- зоров); нарушение контакта между носителем записи и сердечником головки записи и между фонограммой и сердечником головки воспро- Рис. 9.29. Амплитудно-частотная характери- стика магнитной записи изведения (явление неконтакта); уменьшение намагничивания глубинных слоев носителя записи, удаленных от сердечника головки записи (явление слойных потерь). При прочих равных условиях перечислен- ные причины проявляют себя в тем большей степени, чем короче длина волны фонограммы Поэтому возникающие искажения часто име- нуют волновыми (геометрическими) искаже- ниями, а обусловленный ими спад АЧХ — волновыми потерями. Дополнительные причины, вызывающие спад АЧХ на верхних частотах: потери на пере- магничивание (потери на гистерезис): потери на вихревые токи в сердечниках записывающей н воспроизводящей головок. Эти искажения за- висят только от частоты сигнала, т. е. уже в полном смысле слова являются частотными искажениями. На прохождение элемента носителя запи- си в поле головки записи требуется некоторое время. Это время при высоких частотах стано- вится соизмеримым с периодом записываемых колебаний. Следовательно, за время нахожде- ния элемента записи в поле головки записи напряженность поля может значительно изме- няться по величине и даже по знаку. Действие напряженности поля обратного знака приве- дет к ослаблению намагниченности ленты. Ес- ли иа участке спадания поля записывающей головки напряженность магнитного поля не- сколько раз поменяет свое направление, про- изойдет почти полное размагничивание элемен- та носителя записи. В этом — физическая сущ- ность явления самостирания. Так как мгновенное значение напряженно- сти поля является суммой напряженностей по- лей сигнала звуковой частоты и высокочастот- ного подмагничивания, то большое влияние на самостирание оказывает величина амплитуды поля высокочастотного подмагничивания. При ее большой величине самостирание происходит на всех частотах и отдача фонограммы умень- шается. Внутренние слои носителя записи подвер- жены самостиранию в большей степени, чем наружные Поэтому при использовании носи- теля записи с большой толщиной ферромаг- нитного слоя (например, проволоки) спад АЧХ в области верхних частот оказывается более значительным. Самостирание увеличивается при неплотном прилегании носителя записи к сердечнику головки записи. Явление саморазмагничивания, свойствен- ное каждому магниту с разомкнутыми полю- сами, само по себе не вызывает спада АЧХ на верхних частотах, а лишь приводит к умень- шению крутизны подъема АЧХ (примерно с 6 до 5 дБ окт). Однако уменьшение крутизны подъема усугубляет действие других причин, вызывающих спад АЧХ на верхних частотах. Явление щелевых искажений может быть объяснено следующим образом. Головка вос- произведения усредняет (интегрирует) маг- нитный поток фонограммы на участке протя жеиностью 6', несколько превышающей гео- метрическую ширину 6 зазора головки воспро- 248
изведения. По мере приближения длины волны фонограммы Л к действующей ширине б' го- ловки воспроизведения среднее значение маг- нитного потока уменьшается и при X — б' становится равным нулю. При этом соотноше- нии магнитный поток фонограммы не сцепля- ется с сердечником головки воспроизведения и никакой ЭДС в ее обмотке находиться не будет. Щелевые искажения оценивают коэффици- ентом Кщ= (sin х)'х. где б' — действующая ширина зазора головки воспроизведения (она примерно на 20 % боль- ше геометрической ширины). X — длина вол- ны фонограммы, х = лб'/Х. Частота, на которой возникает нуль отда- чи, определяется соотношением fmax = Роль щелевых искажений быстро возрастает с уменьшением скорости воспроизведения фо- нограммы. Например, при ширине рабочего зазора головки воспроизведения 10 мкм и ско- рости 19 см/с щелевые потери для частоты 10 кГц составляют примерно 4,5 дБ. Непараллельность зазоров головок записи и и воспроизведения приводит к волновым поте- рям, аналогичным щелевым, т. е. эквивалент- на расширению зазора головки. Потери учиты- вают коэффициентом перекоса А пер = (sin г) 1г, nb где г = — tg а, б — ширина дорожки записи, А а — угол перекоса, К — длина волны фоно- граммы. При воспроизведении между фонограммой и сердечником головки воспроизведения воз- никает зазор, обусловленный микроскопиче- скими неровностями поверхностей ленты и сердечника головки. Наличие зазора (некон- такт) приводит к уменьшению магнитного пото- ка в сердечнике головки и к появлению потерь, выражаемых коэффициентом контактных по- терь Хи =ехр( — 2ла/Х), где а — зазор (неконтакт). Величину контактных потерь в единицах уровня (децибелах) определяют из выражения 20 1g (1/Ак) = 54,5 аГк. Даже при тщательной полировке поверхно- стей ленты и сердечника между ними имеется зазор 1 ... 3 мкм. Если принять а = 2 мкм, f = 10 кГц, v = 19 см/с, чему соответствует длина волны X — 19 мкм. контактные потери составят 5,7 дБ. Намагничиваемые головкой записи слои находятся на разных расстояниях от зазора сердечника головкн и подвергаются разному намагничиванию. Возникающие из-за этого потери аналогичны потерям из-за некоитакта. Суммарные слойные потери для всего магнит- ного слоя ленты выражают коэффициентом 1 —ехр (—2лс1/Х) 2nd/X где d — глубина намагничивания рабочего слоя. Общие волновые потери при воспроизведе- нии определяются произведением четырех перечисленных сомножителей К% = Кщ Кпер Кк К<1- Дополнительные частотные искажения, обусловленные потерями на перемагничива- ние и на вихревые токи в сердечниках головок не превышают 1 ...2 дБ и потому могут не учи- тываться. КОРРЕКТИРОВАНИЕ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ Как видно из предыдущего, амплитудно- частотные искажения магнитной записи зави- сят от режимов записи, свойств лент, головок и особенностей их взаимодействия. Характер- ный вид АЧХ изображен на рис. 9.30 кривой 1. Кривая 2 изображает необходимую АЧХ кор- рекции, а кривая 3 — идеализированную АЧХ сквозного канала записи-воспроизведения. Схема распределения искажений и коррекций по звеньям сквозного канала показана иа рис. 9.31. При распределении коррекции по звеньям канала учитывают частотные свойства записываемых сигналов. Распределение звуковых давлений в спект- рах большинства музыкальных инструментов и человеческих голосов таково, что максимумы лежат в области частот 200 ... 1500 Гц, а на более низких и более высоких частотах звуко- вые давления меньше. Для улучшения отно- шения С/П следовало бы записывать сигнал на постоянном уровне во всем диапазоне час- тот. Поэтому было бы желательно ввести подъ- ем АЧХ в УЗ и путем этих предыскажений перераспределить энергию сигнала по спектру. Практически в УЗ увеличивают коэффициент передачи только на верхних частотах. Во избе- жание увеличения нелинейных искажений Рис. 9.30. Корректирование АЧХ магнитной записи 249
Рис 9 31 Схема распределения искажений и коррекций по звеньям сквозного канала магнитной записи и воспроизведения вследствие перемодуляции ленты подъем АЧХ не должен превышать 12 ... 14 дБ. При этом уровни сигнала на верхних частотах не прев- зойдут уровней сигнала на средних частотах Недостающую часть коррекции по верхним частотам осуществляют в УВ. Частотная ха- рактеристика канала изменяется по мере из- носа головок и в зависимости от типа носителя записи. Поэтому степень коррекции в УЗ н УВ необходимо регулировать. Коэффициент передачи в УЗ иа иижних частотах ие увеличивают (иногда вводят незна- чительный подъем АЧХ — не более 2.3 дБ). Дело в том, что коэффициент гармоник носите- ля записи при постоянной амплитуде тока за- писи /а увеличивает^’я с уменьшением часто- ты. Кроме того, в спектре некоторых музы- кальных инструментов (большой барабан, ли- тавры) наибольшие звуковые давления име- ют место именно иа нижних частотах Во из- бежание возрастания нелинейных искажений коррекцию по нижним частотам в профессио- нальной аппаратуре осуществляют практиче- ски только в УВ. Сопротивление головки записи ГЗ имеет в основном индуктивный характер Для полу- чения в ее обмотке неизменной амплитуды то- ка на всех частотах необходимо, чтобы напря- шение иа зажимах ее обмотки увеличивалось с частотой (кривая 2). Для коррекции необхо- дим дополнительный подъем АЧХ (кривая 2') Частотная характеристика тока записи /3 будет иметь в этом случае форму кривой 3. Зависимость ЭДС в головке воспроизведения ГВ будет меняться с частотой по кривой 5. Необходимая АЧХ усилителя воспроизведе ния УВ имеет вид кривой б, а результирую- щая АЧХ — вид горизонтальной прямой 7. В бытовых магнитофонах с универсальным усилителем АЧХ, необходимую для записи или воспроизведения, получают переключени- ем корректирующих звеньев внутри самого усилителя или подключением универсальной головкн к усилителю через частотный коррек- тор. Чтобы фонограммы, записанные на одном магнитофоне, можно было неискажено воспро- изводить на другом магнитофоне, АЧХ каиа лов записи и воспроизведения стандартизуют. Номинальная АЧХ канала воспроизведения задается косвенным путем как характеристика, при которой выходное напряжение магнито- фона при воспроизведении стандартной фоно- граммы (измерительной ленты) не зависит от частоты. Регулировку АЧХ канала записи производят таким образом, чтобы выходное напряжение канала воспроизведения остава- лось при изменении частот входного напряже- ния по диапазону частот в пределах поля до- пусков, указанных для данного магнитофона. НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ Нелинейные искажения обусловлены сле- дующими причинами: нелинейной зависимо- стью остаточной намагниченности от напря- женности намагничивающего поля; неправиль- ным выбором высокочастотного подмагничи- вания; насыщением сердечника головки за- писи при слишком большом токе, пропускае- мом по ее обмотке; периодическими изменени- ями скорости движения носителя записи или фонограммы. Первые три причины относятся к магнитной нелинейности и могут быть значительно ослаб- лены правильным выбором режима записи При высокочастотном подмагничивании не- линейные искажения возникают главным об- разом в форме третьей гармоники Четные гар- моники возникают при асимметрии формы то- ка высокочастотного подмагничивания, при- водящей к образованию постоянной слагаю- щей напряженности магнитного поля. Из рнс. 9.32 видно, что увеличение тока высоко- частотного подмагничивания /вч приводит вначале к заметному увеличению отдачи е и уменьшению коэффициента гармоник Кт-Затем коэффициент гармоник проходит небольшой второй максимум и затем изменяется сравни- тельно мало, а отдача несколько уменьшается. Практически удобно устанавливать оптимум /вч не по минимуму Кг, а по максимуму отдачи. Периодические изменения скорости движе- ния носители или фонограммы при небольшой 250
частоте изменения скорости (несколько герц) приводят к «плаванию», «журчанию» звука. Та- кие искажения называют детонацией первого рода. При большой частоте изменения скоро- сти (порядка 100 Гц и выше) искажения про- являются в виде изменения тембра, «шерохова- тости» звучания, появления хрипов. Такие искажения называют детонацией второго рода. Детонации более заметны при воспроизведе- нии музыки, особенно протяжных звуков, чем при воспроизведении речи. Чувствительность слуха к детонации рас- тет с увеличением частоты и громкости воспро- изводимых звуков и с уменьшением частоты ко- лебаний скорости. Причиной детонации первого рода чаще все- го является неточность выполнения (эксцент- риситет) вращающихся деталей лентопротяж- ного механизма. Причиной детонации второго рода обычно являются продольные колебания ленты, возбуждаемые при изменении силы тре- ния ленты о сердечники головок, например, вследствие шероховатости рабочего слоя ленты. Амплитуда продольных колебаний получает- ся наибольшей на частоте механического ре- зонанса отрезка ленты между точками ее опо- ры (например, направляющим роликом и осью ведущего двигателя). Периодические сжатия и растяжения ленты в продольном направле- нии вызывают периодические изменения ско- рости и, как следствие, детонацию второго ро- да. Модуляция по скорости приводит к моду- ляции по частоте и к появлению комбинацион- ных частот. Количественно детонацию оценивают коэф- фициентом паразитной частотной модуляции или коэффициентом колебаний скорости vm/v0, причем о0 представляет собой номинал скоро- сти, a vm — наибольшее отклонение скорости от номинала. Вносимые нелинейные искажения могут быть охарактеризованы коэффициентом комби- национных частот, приближенное выражение которого К ~ Р ” У2 1-(1/4)Р=’ Р fVjn г где р = ---, причем f — частота записанного Fvq сигнала, F — частота изменения скорости. Пусть частота записанных колебаний f = = 1000 Гц, номинальная скорость движения ленты 38,1 м/с, амплитуда переменной части скорости 0,4 мм/с, частота изменения скорости F = 10 Гц (детонация первого рода). Тогда Р = 10:,-0,4- 1Q-1 10-38,1 и К 0,1 1—0,01/4 = 0,07 (7%). Рис. 9.32. Зависимость отдачи Е и коэффици- ента гармоник Кг от тока высокочастотного подмагничивания ПОМЕХИ Помехи в каналах магнитной записи замет- но отличаются от помех в каналах связи. По- мехи в каналах связи обычно суммируются с сигналом, т. е. носят аддитивный характер. Для магнитной записи кроме аддитивных по- мех существенное значение имеют модуляцион- ные помехи, которые модулируют сигнал, ум- ножаются на него, т. е. носят мультиплика- тивный характер. Кроме того, при магнит- ной записи и воспроизведении возникает пара- зитная модуляция сигнала по частоте (см. предыдущий пункт) и связанное с ней измене- ние временных соотношений в сигнале, чего обычно в системах связи ие бывает. Основные источники модуляционного шу- ма: неоднородность частиц магнитного порошка и неравномерность их распределения в рабо- чем слое ленты, флуктуации конструктивных параметров системы магнитной записи, непо- стоянство толщины рабочего слоя подлине лен- ты, изменения во времени величины неконт ак- та, флуктуации перекосов ленты и т. п. Первый источник создает так называемый структурный шум. Частицы в различных по- перечных сечениях рабочего слоя магнитно не сбалансированы. Поэтому при прохождении ленты над зазором головки воспроизведения возникает помеха, имеющая характер шума. Структурный шум проявляется сравнительно мало. Его уровень составляет — 55 .. — 65 дБ относительно номинального уровня записи сиг- нала. Если размагниченную ленту подверг- нуть действию высокочастотного поля подмаг- ничивания, то, как показывает опыт, уровень шума возрастет на 3 ... 10 дБ, так как после действия высокочастотного подмагничивания повышается чувствительность ленты к слабым магнитным полям, обусловленным асиммет- рией поля подмагничивания, намагниченно- стью деталей транспортирующего механизма, магнитного поля Земли и т.д. Это составляю- щая структурного шума называется шумом паузы. Шум паузы ослабляют симметрирова- нием формы тока подмагничивания, тщатель- ным размагничиванием деталей лентопротяж- ного механизма и сердечников головок. 251
Уровень структурного шума пропорциона- лен намагниченности ленты. Поэтому записан- ный сигнал промодулирован по амплитуде шу- мом, причем коэффициент модуляции не зави- сит от величины сигнала. Шум ленты, появля- ющийся при наличии сигнала, называют модуляционным Относительный уровень шума ленты, намагниченной до насыщения, состав- ляет —26 ... — 30 дБ. Структурный шум име- ет нормальное распределение и низкочастот- ный энергетический спектр. Неоднородности рабочего слоя ленты ус- редняются рабочим зазором головки воспро- изведения. Чем меньше площадь участка лен- ты, взаимодействующего с головкой, тем хуже усреднение Например, при уменьшении шири- ны дорожки вдвое напряжение шума уменьша- ется в "|/2 раз, а напряжение сигнала в силу его когерентности — в 2 раза, т. е. отноше- ние С/П с уменьшением ширины дорожки па- дает. Случайные изменения расстояния между носителем записи и головкой приводят к изме- нениям намагниченности носителя по глуби- не, появлению контактного шума записи. Непостоянство контакта при воспроизведе- нии, флуктуации перекоса ленты и толщины рабочего слоя приводят к паразитной ампли- тудной модуляции воспроизводимого сигнала. К аддитивным помехам относятся: переход- ные помехи из-за влияния полей соседних доро- жек записи на воспроизводящую головку и из- за взаимной связи головок в многодорожеч- ных блоках головок; внешние помехи из-за влияния полей рассеяния электродвигателей и силовых трансформаторов, собственные по- мехи усилителей записи и воспроизведения; копирэффект, обусловленный намагничива- нием большим полем участка фонограммы со- седних слоев рулона ленты и приводящий к появлению паразитных сигналов типа эха, опережающего и запаздывающего по отноше- нию к записанному сигналу Копирэффект зависит от типа ленты, ее об- щей толщины и толщины рабочего слоя, дли- ны волны записи и температуры, при которой хранится лента. Копирэффект максимален при Рис. 9.33 Схема устройства Mai шпион го- ловки А = 2л<1л, где А — длина волны фонограммы. dn — общая толщина ленты. В области боль- ших длин волн уровень копирэффекта отно- сительно максимального значения уменьшает- ся со скоростью примерно 6 дБ на октаву. На уровень копирэффекта влияют размеры частиц ферромагнитного порошка. Если они стано- вятся меньше 0,2 мкм, уровень копирэффекта возрастает Копирэффект увеличивается с рос- том температуры, напряженности внешних по- лей рассеяния и механического растяжения ленты. Разность уровней основного и скопирован- ных паразитных сигналов у современных лент составляет 50 ... 58 дБ Специфическим видом искажений являют- ся выпадения — кратковременные глубокие уменьшения уровня сигнала, вызванные на- рушением контакта между лентой и головкой из-за недостатков ленты, — осыпания магнит- ного слоя, наличия комочков ферромагнитно- го порошка — и попадания между лентой и головкой пылинок. При воспроизведении вы- падения проявляются в виде щелчков. Они, однако, мало заметны ввиду их кратковремен- ности и редкости появления 9.5. МАГНИТНЫЕ ГОЛОВКИ Классификация и конструкция. Разли- чают записывающие, воспроизводящие, уни- версальные и стирающие головки. Записыва- ющие служат для получения в зоне записи требуемой напряженности магнитного поля, воспроизводящие — для преобразования маг- нитного поля фонограммы в ЭДС, универсаль- ные объединяют функции первых двух, стира- ющие служат для создания поля, достаточного для размагничивания ненужной фонограммы. Наибольшее распространение получили кольцевые головки (рис. 9.33). Сердечник 1 состоит из двух половинок, на которых разме- щена обмотка 2 С сердечником в области рабо- чего зазора 3 соприкасается ферромагнитный слон носителя записи 4. У записывающих го- ловок имеется дополнительный зазор 5. Рабо- чий зазор служит для создания ограничеииого по протяженности магнитного поля при запи- си и обеспечения сцепления магнитного поля фонограммы с сердечником при воспроизве- дении. Ширина рабочего зазора головок за- писи и воспроизведения — от долей до нес- кольких единиц микрометра Дополнитель- ный зазор служит для увеличения магнитного сопротивления сердечника с целью предотв- ращения его намагничивания броском тока в моменты коммутации электрического канала или головки. Ширина дополнительного за- зора — 30 . .40 мкм. Ширина рабочего зазора стирающих головок — 70 ... 200 мкм Магнитные материалы сердечников. Для сердечников используют магнитно-мягкие ма- териалы, обладающие большой начальной про- ницаемостью рн и небольшой коэрцитивной си- лой Н,.. Материалы должны обладать малыми потерями на гистерезис, большой стойкостью 252
к истиранию магнитным носителем записи, ие изменять магнитных свойств при механиче- ской обработке. Металлические сердечники для уменьшения потерь иа вихревые токи изготавливают из тонких пластин, которые склеивают клеем, ие проводящим электрический ток. В зависи- мости от ширины дорожки толщина сердечни- ков составляет от долей до нескольких мил- лиметров Для сердечников используют желе- зоникелевые сплавы (пермаллой, рн ~ 20 000), железоалюминиевые сплавы (альфеиол, ри~ х 10 000), железоалюминиевокремниевые сплавы (сендаст, рн » 35 000) и ферриты. Не- достатками пермаллоя являются значитель- ное изменение магнитных свойств при механи- ческой обработке (уменьшение магнитной про- ницаемости), большие потери на гистерезис на частотах свыше 20 кГц, относительно неболь- шая стойкость к истиранию. Альфенол более устойчив к механической обработке. Сендаст обладает малыми потерями на гистерезис и из- носоустойчив. Ферриты выкрашиваются в зо не зазора и потому мало пригодны для голо- вок воспроизведения. Универсальных магнитных материалов, одинаково пригодных для различных типов головок, не существует. Примерные требова- ния к свойствам магнитных материалов для различных головок приведены в табл. 9.14. Параметры магнитных материалов головок приведены в табл. 9.15. Для записывающих головок необходимо, чтобы индукция насыщения Bs материала сер- дечника в несколько раз превышала индукцию насыщения носителя записи. В противном слу- чае магнитная цепь сердечника будет вносить дополнительные нелинейные искажения. От- носительная магнитная проницаемость сер- дечника должна быть не меиее ста. Материал сердечника должен иметь небольшую коэрци- тивную силу для уменьшения потерь на гис- терезис и большое удельное электрическое со- противление для уменьшения потерь на вихре вые токи. Лучшим материалом для головок записи во всем параметрам является сендаст, но он пока дорог. Удовлетворительными магнитными свойствами и низкой ценой отличается пермал- Таблица 914. Требования к свойствам магнитных материалов Параметр Головка записи воспроиз* ведения стирания Индукция насыщения Тл, не менее 0,9 0,2 0,5 Начальная магнитная проницаемость р0, не ме- нее 1500 10 000 500 Коэрцитивная сила Нс, А/м, не более 5 3 10 Интенсивность износа, Ad, 10 * мкм/м, не менее 0,5 0,2 5 лой Менее всего для головок записи пригодны ферриты из-за небольшой индукции насыще- ния, сложности изготовления, нестабильности при эксплуатации (выкрашивание сердечника в области зазора, появление трещин) Головки воспроизведения должны вносить небольшие потери. Это — главное требование к ним. Магнитная проницаемость должна быть по возможности большой Механические свой- ства должны способствовать получению хоро- шей геометрии зазора. Наиболее пригодны сендасты, монокристаллические ферриты. Горячепрессованные ферриты непригодны из- за большой склонности к выкрашиванию. При выборе материала для сердечника уни- версальных головок руководствуются требо- ваниями к сердечникам головок воспроизве дения. Дополнительное требование — высокая индукция насыщения, так как напряженности магнитного поля в зазоре универсальной го- ловки шириной 0,5 . . 2 мкм больше, чем в за- зоре записывающей головки с зазором шири- ной 3 ... 5 мкм. Для стирающих головок лучше всего при- менять комбинированные сердечники из мар- ганцово-цинкового феррита и полюсными на- конечниками из тонких пластин сендаста или твердого пермаллоя. Таблица 9.15. Параметры магнитных материалов головок Материал, марка Параметр Тл ЦН' нг А/м р, мкОм-м мкм/м Пермаллой 79НМ 0,75 20 000...22 000 1,2... 1,4 0,55 1,6... 1.8 Пермаллой 81НМА 9,5...0,55 50 000...70 009 0,4...0,8 0,8 1,3 1.5 Феррит ГПФ 0,38 6000... 10 000 24 10s 0,4 Феррит 3090НМС 0,37 1600...2490 30 106 — Сендаст 10СЮ-МП 0,8. 0,9 20 000 4 0.7..0,8 0,25 Сендаст 10СЮ МП 0,9 10 000 12 0,8 0.08 Аморфный материал 85КСР-А 0.6.. .0.75 5000... 10 009 0,8...2,4 1,3 1.1...1.4 71КНСР 0,5 5000...20 000 0,8... 1,2 1,3 0,7...0,8 253
Таблица 9.16 Параметры головок катушечных магнитофонов Марка головки Ширина рабочего зазора, мкм Материал сердечника Материал прокладки Число витков обмотки Индуктивность обмотки, мГ Сопротивление обмотки, Ом Головки записи 3—02 10 10 8 5 79НМ 50НХС 79НМ 50НХС БрБ2 Слюда БрБ2 Слюда 2X150 2ХЮ0 190 2X170 7...Э 4-5 5...8 6.5...Э 2.5...3.5 2...3 4 .6 12.16 В-02 20 Гс 79НМ мовки вое пре БрБ2 изведения 2X1500 2500...3000 600 Б 03 10 79НМ БрБ2 2X260 65 86 8—9 — 8 79НМ БрБ2 2000 1800...2590 500...600 —- 6 79НМ Слюда 2X250 60...75 9...11 — 5 79НМ БрБ2 2X400 75...80 50...75 С-02 200 79НМ Головки СП БрБ2 рания 2X75 1,7...2,3 2 С-04 150 79НМ БрБ2 2X150 7..9 4 — 190 Феррит Слюда 150 4...5 12 Параметры головок. В зависимости от чис- ла витков обмотки и диаметра провода разли- чают низкоомные и высокоомные головки. Преимущество высокоомной головки воспроиз- ведения — значительно большая, чем у низко- омной. ЭДС. Поэтому ее можно непосредст- венно, без повышающего трансформатора включать на вход усилителя воспроизведения. Но она имеет сравнительно большую индук- тивность, что ухудшает ее частотные свойства. Высокоомную стирающую головку легче согласовать с генератором стирания и подмаг- ничивания. Высокоомную универсальную го- ловку подключают к усилителю записи также без согласующего трансформатора. Таким об- разом, применение высокоомных головок упро- щает усилители записи и воспроизведения. Преимущество ннзкоомных головок — более широкая полоса частот, лучшая АЧХ. Индуктивность обмотки головки вместе с ее собственной, межвитковой емкостью, а также совместно с выходной емкостью усилителя за- писи или входной емкостью усилителя воспро- изведения образует колебательный контур. Ре- зонансная частота этого контура должна быть больше наивысшей частоты записываемого сигнала. Резонанс головки в полосе пропуска- ния нежелателен, так как выше резонансной частоты отдача головки резко уменьшается. Кроме того, собственные колебания, возника- ющие в контуре, искажают сигнал. При необ- ходимости существенно поднять резонансную частоту приходится уменьшать число витков обмотки, хотя это и снижает отдачу. Параметры головок профессиональных и и бытовых катушечных магнитофонов приве- дены в табл. 9.16, головок кассетных магнито- фонов — в табл. 9.17 Таблица 917. Параметры головок кассетных магнитофонов Марка головки Ширина рабочего <азора. мкм Материал сердечника Индуктив- ность об- мотки. мГ Рабочий диапазон частот. Гц, при лентах с рабочим слоем Fe2Oa СгО. металло- порошковый ЗД24.221 1,8 81 НМ А 85... 145 40...14 000 - ЗАВ24 МГЗ 3,0 81 НМ А 7,2... 10,8 40 .. 14 000 31,5-16 000 -— ЗАВ24 Ml В 1.0 81 НМД 115... 185 40-14 000 31,5. 16 000 — ЗД24.041 1,5 79НМ 100... 160 40... 12 000 — — ЗД24.051 2,0 81 НМ А 55...90 40...12 500 — — ЗД24.080 1,5 10СЮ.ВИ НО. 190 40-14 009 31,5-18000 31,5. 20 000 ЗД 24.081 1.5 1 ОСЮ. В И 100 179 40... 14 009 31,5. .18 000 31,5. 20 000 254
Ёажным показателем головок является ресурс работы. Ои составляет для головок ЗД24 221, ЗД24.041, ЗД24.051 с сердечником из пермаллоя 2150 ч, для головки ЗАВ24 так- же с сердечником из пермаллоя 250 ч, для го- ловок ЗД24.080 и ЗД24.081—5000 ч. Магнит- ные головки с сердечником из пермаллоя срав- нительно быстро изнашиваются. К тому же они непригодны для записи иа носители с рабочим слоем из двуокиси хрома и с металлопорошко- вым рабочим слоем, так как запись и воспро- изведение сопровождаются большими ампли- тудно-частотными искажениями. Лучшей универсальной головкой для кас- сетных магнитофонов в настоящее время явля- ется головка ЗД24.080, полюсные наконечники которой изготовлены из сендаста. С ее помо- щью можно вести запись на всех иыие изго- товляемых носителях. 9.6. МАГНИТНЫЕ НОСИТЕЛИ ЗАПИСИ Классификация. В аппаратах магнитной записи используют носители записи в форме леиты, диска барабана, проволоки. Чаще всего используют ленточные носители записи Но- сители записи в форме диска или барабана применяют в запоминающих устройствах. Такая форма обеспечивает малое время поиска нужной информации. Магнитную проволоку используют в малогабаритных магнитофонах и диктофонах. Магнитная лента представляет собой не- магнитную пластмассовую основу толщиной 12 .. 38 мкм, иа которую нанесен рабочий слой толщиной 6 .16 мкм. Материал основы: диацетатнеллюлоза, триацетатцеллюлоза, поливинилхлорид, полиэтилеитерефталат (оте- чественное название этой пластмассы — лав- сан — является аббревиатурой от ЛАборато- рия Высокомолекулярных Соединений Ака- демии Наук). Широкое распространение в ка- честве основы последнего материала объясня- ется его большой прочностью, влаго- и термо- стойкостью. Рабочий слой (так называемый магнитный лак) состоит из связующего — быстро густеющего жидкого вещества и запол- нения в виде частиц ферромагнитного материа- ла размером 0,1 ... 0,5 мкм. Используют гам- ма-окисел железа у Fe2O3, феррит кобальта, двуокись хрома СгО2, железо Магнитные час- тицы занимают 30 ... 45 % объема рабочего слоя. За рубежом освоены так называемые ме- таллопорошковые ленты из порошков железа и кобальта Магнитные частицы составляют до 40 % объема рабочего слоя. Сравнительно недавно появились носители, рабочий слой которых представляет собой тонкую металлическую пленку. Ее наносят иа немагнитную основу напылением в вакууме или гальваническим путем. Такова леита «Аи- гром». На основу из полиэтилеитерефталата толщиной 5,5 мкм в вакууме напылен рабочий слой толщиной 0,6 мкм, состоящий, в свою очередь, из трех слоев никель-кобальтового сплава, разделенных тонкими слоями алюми- ния. Ленту «Ангром» используют в микродик- тофоиах при скорости 1,19 см/с. Ее также ис- пользуют для цифровой записи звука и в ми- ниатюрных видеомагнитофонах. Для цифровой записи еще более перспектив- на лента, состоящая из основы, подслоя из магнитомягкого материала и рабочего слоя из частиц магнитотвердого материала, ориен- тированных перпендикулярно основе. Теоре- тический предел записываемых на ленту та- кого типа длин воли — примерно 0,1 мкм (на порядок меньше, чем для лучших порошковых лент). Достоинства ленточных носителей записи: удобство эксплуатации (легкость механическо- го монтажа, удобство намотки и хранения), хорошие параметры качества, возможность независимого установления магнитных и фи- зико-мехаиических свойств, сравнительная дешевизна В качеств проволочных носителей сперва применяли проволоку из малоуглеродистой стали (0,2... 1,4 % углерода) диаметром 0,25 мм и менее. Современные проволоч- ные носители записи диаметром 20 30 мкм изготавливают из специальных сплавов в ви- де однородной проволоки или в виде биметал- лической проволоки. Сердцевина из тонкого диамагнитного материала, обладающего боль- шой прочностью, покрыта ферромагнитным слоем. Для уменьшения скручивания попереч- ному сечению носителя записи иногда придают эллиптическую форму. Особым видом носителя записи является капроновая или нейлоновая нить, покрытая ферромагнитным слоем или наполненная маг- нитным порошком. Достоинство проволочных носителей запи- си — малая масса и малый объем иа еди- ницу времени звучания (10.. 16 см3 иа один час звучания), недостатки — трудность соеди- нения проволоки при монтаже и обрывах, появление паразитной амплитудной модуля- ции сигнала из-за скручивания проволоки, неудовлетворительная передача верхних час- тот, довольно высокая стоимость, сильный из- нос головок Свойства магнитных носителей записи. Магнитные носители записи характеризуют тремя группами параметров: физико-механиче- скими, магнитными, рабочими Основные физика-механические свойства-. прочность, влагостойкость, термостойкость. Прочность магнитных лент характеризуют ме- ханическим усилием, соответствующим порогу текучести (12 ... 36 Н), относительным удли- нением при определенном усилии (0,2 ...0,8 °о при растягивающем усилии 4 Н, 2 % при рас- тягивающем усилии 10 Н), остаточным удлине- нием после ударной нагрузки (0,08 % при 4 Н, 0,2 % при 10 Н) При малой прочности приходится увеличивать поперечное сечеиие носителя, что увеличивает его массу и ухуд- шает гибкость, т. е. ухудшает прилегание но- сителя к сердечникам головок. Большая оста- 255
точная деформация искажает временной мас- штаб фонограммы. Техническими условиями на каждый тип ленты устанавливают адгезион- ную прочность, т. е. прочность к истиранию и разрушению магнитного слоя, требования по влаго и термостойкости Магнитные свойства леит полнее всего ха- рактеризуют кривыми намагничивания (см. § 9.4). Но пользование графиками не вполне удобно. Поэтому чаще прибегают к численно- му определению магнитных свойств лент. На предельной петле гистерезиса выделяют три характерных точки (см. рис. 9.26): А, В, С Расстояние от А до горизонтальной оси харак- теризует намагниченность насыщения Js, отрезок ВО — максимальную остаточную на- магниченность Jr max. отрезок СО — коэрци тивную силу Нс. Типичные величины этих трех параметров: Js = 30... 120 кА.м, /гтах= 70 . 100 кА м, Нс = 20 . 80 кА 'м. Отно- шение Jr к называют коэффициентом пря- моугольности kn. У гамма-окисла железа и феррита кобальта kn х 0,5, у двуокиси хрома и чистого железа kn ~ 0,9. ЭДС, наводимая движущейся магнитной фонограммой в обмотке головки воспроизведе- ния, зависит от скорости движения ленты, ча- стоты записанных колебаний остаточного по- тока ленты. Магнитный поток при равномер- ной намагниченности п 4 s*,,, где рв = 4л-10~’ — магнитная проницаемость вакуума, /гп — коэффициент прямоугольио- сти, Jo — намагниченность частиц (доме нов), s — площадь поперечного сечения маг нитного слоя (при ширине дорожки записи b и толщине рабочего слоя d s = bd), k„ — коэф- фициент объемного заполнения (он показывает, какую часть объема рабочего слоя занимает ферромагнитное вещество). Для увеличения продольной плотности за- писи следует уменьшать толщину рабочего слоя d, а для увеличения поперечной плотно- роваиных магнитных лент пока препятствует недостаточно разработанная технология, ко- торая затрудняет получение достаточно длин- ных отрезков леит со стабильными парамет- рами. Рабочими параметрами являются: отно- сительная чувствительность, неравномерность чувствительности по длине леиты, относитель- ная АЧХ, отношение С/П, коэффициент треть- ей гармоники, относительный уровень копир- эффекта, относительный уровень стирания. Относительная чувствительность — отноше- ние остаточных магнитных потоков испытуе- мой и типовой магнитных лент. Ее обычно выражают в единицах уровня Неравномер- ность чувствительности определяют в преде- лах рулона ленты. Обычно она не превышает / дБ. Относительную АЧХ выражают как раз- ность между АЧХ испытуемой и типовой лент на частоте 10 кГц при определенной скорости. У современных лент эта разность достигает 10 дБ Отношение С/П выражают через отно- шение максимального напряжения воспроизво- димого сигнала к напряжению шума леиты, намагниченной постоянным полем Ойо со- ставляет 35 . . 50 дБ Коэффициент третьей гармоники современных лент — 0,5...3%, относительный уровень копирэффекта — —50 ... —58 дБ, относительный уровень сти- рания ------70 ... — 77 дБ Обозначения типов леит. В СССР по ГОСТ 244020—75 принято пятиэлементное обозна- чение типа леиты. 1. Буквенный индекс, обозначающий ос- новное или предпочтительное назначение леи- ты: А — звукозапись, Т — видеозапись, В — вычислительная техника. 2. Цифровое обозначение материала осно- вы (от 0 до 9), например, 2 — диацетатцеллю- лоза (вторичный ацетат целлюлозы), 3 — триа- цетат целлюлозы, 4 — полнэтилентерефта- лат (лавсан) и т.д. 3. Цифровое обозначение общей номиналь- ной толщины (от 0 до 9). Цифровое обозначение 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Общая тол- щина, мкм Менее 10 От 10 до 15 От 15 до 20 От 20 до 30 От 30 до 40 От 40 до 50 От 50 до 60 От 60 до 75 От 75 до 100 Более 100 сти — уменьшать ширину дорожки Ь. Но прн уменьшении d и b уменьшается s и, следова- тельно, Фг. Чтобы скомпенсировать это уменьшение, необходимо выбирать материалы с большими Jo, kn и kc. У гамма-окисла же- леза и феррита кобальта kn яв 0,5, Jo = 400 А м, у двуокиси хрома kn ~ 0,9, Jo = 490 А/м, у чистого порошкового железа kn ~ 0,9, Jo — 1400 А/м, у металлического слоя железа kn и kv близки к единице, Jo = 2000 А/м. По- этому предпочтительнее использовать рабочий слой на основе двуокиси хрома и чистого же- леза Широкому распространению металлизи- 4. Двузначное число, обозначающее номер заводской технологической разработки (от 01 до 99). 5 Число, следующее после перечисленных элементов через черточку (дефис) и округленно выражающее ширину ленты в миллиметрах. После пятого элемента иногда следует до- полнительный буквенный индекс, уточняю- щий назначение леиты: П — перфорирован- ная лента (для синхронной записи звука при киносъемках), Р — лента для звукового ве- щания, Б — леита для бытовых целей и т.д. 256
Таблица 9.1S. Параметры магнитных лент Обозначение Материал основы Толщина, мкм Ширина, мм Длина в рулоне, м Назначение А 2601 6Б А 3601-6Б Ацетатцеллюлоза 55 55 6,25 6,25 100, 180. 250, 350, 1000 Любительская звуко- запись А2601-6Р То же 55 6,25 1000 Профессиональная зву- А3691-6Р А4601-6Р » Полиэтилеитере- фталат 55 55 6,25 6,25 1000 1000 козапись в звуковом вешании А 3902-36П А3901-35П Триапетатцеллю- лоза То же 150 145 16; 17,5 32; 35 35 1000 300 320 Звукозапись при произ- водстве кинофильмов А 4404 6Б Полиэтилентере- фталат 37 6,25 150, 270, 375, 525 Любительская звуко- запись А 4203-3 А 4212 ЗБ А 4409-6Р Пол иэти леи тере- фталат То же 18 18 3,81 3,81 65, 130, 196, 260, 325, 390, 450, 520, 585, 650, 715 То же Кассеты для любитель- ской звукозаписи Профессиональная зву- козапись А4414 6Р То же 37 6,3 520, 750, 1100 — А4415-6Р > 37 6,3 — — А 4620 > 37 6,3; 12,7; 25,4; 50,8 — — Пример. Тип ленты А 4403—6 Б означает: лента для звукозаписи (А), основа — полиэтилеитереф- талат (4), общая толщина 37 мкм (4), поряд- ковый иомер разработки — третий (03), ши- рина леиты 6,25 мм (6), для бытовых магни- тофонов (Б). Основные размеры магнитных лент. Об- щие требования к размерам магнитных леит ус- тановлены ГОСТ 8303 — 76 Ширина леит про- фессионального назначения составляет по ГОСТ 21887—76 3,81; 6,25; 12,70; 25,40; 50,80 мм (3/20; 1/4; 1/2; 1; 2 дюйма соответст- венно) Общая толщина лент шириной 3,81 мм установлена 18 мкм, для остальных стандар- тизованы три толщины: 27, 37, 55 мкм. В бы- товых катушечных магнитофонах применяют ленту шириной 6,25 мм и толщиной 34 мкм (ГОСТ 21402.2 — 75), в кассетных шириной Ширина киноленты, мм 70 Число кадров .... 24±5 Примечание. Для лент шириной 70 и а для остальных лент— опережает его. 3,81 мм и толщиной 18 мм (ГОСТ 21402.1—75). Параметры некоторых типов лент приведе- ны в табл. 9.18 и 9.19. Перфорированные магнитные ленты для синхронной звукозаписи в кинематографе и 35 16 8 28±0,5 28±0,5 56±0,5 35 мм звук запаздывает по отношению к телевидении изготавливают согласно ГОСТ 8303—76 шириной 16, 36 и 70 мм и толщиной ие более 90 мкм иа полиэтилентерефталатиой основе и ие более 150 мкм иа основе из других материалов. Леиты шириной 16 мм имеют одностороннюю перфорацию, шириной 35 и 70 мм двустороннюю. Расположение до- рожек иа лейте шириной 35 мм показано иа рис. 9.34, а, б, в, г. ГОСТ 9492—60 стандар- тизует перфорированные киноленты с нанесен- ными со стороны основы магнитными дорожка- ми (рис. 9.34, д, е, ж, з). В кинофильмах с маг- нитной фонограммой звук опережает изобра- жение либо запаздывает по отношению к нему, чтобы имелась возможность разместить блок магнитных головок ниже или выше блока оп- тической проекции, где леита движется пре- рывисто. Сдвиг магнитной фонограммы по от- ношению к изображению указан ниже: Супер-8 18±1 изображению. Хранение магнитных леит. Магнитные леи- ты хранят иа сердечниках, катушках или в кассетах. Неперфорированные ленты шириной 6,25 мм для профессиональных магнитофонов держат намотанными иа сердечниках диамет- 9 Зак. 1688 257
Таблица 9.19. Электроакустические параметры магнитных лент шириной 6,25 мм прн скорости 19,05 см/с Параметр гост 21887—76 А-2601 А-4615 А-4407 А-4409 А-4414 104 PER 525 Относительная чувствитель- ность, дБ 3.5±1,0 0,5±1,0 3,5 2,0 —0,5 4± 1 5,0 2,3 Неравномерность чувствитель- ности по длине рулона, дБ, иа частотах 400 Гц ±0,5 ±0,5 ±1.0 ±0,5 ±0,2 ±0,3 12,5 кГц — ±1,0 — ±3,0 ±1,5 ±0,5 — — 16 кГц ±1,5 — ±1,5 — — — ±0,4 ±1,0 Относительная величина опти- мального тока высокочастотно- го подмагничивания, дБ 0,5±1,0 2,0 0±1.0 0,5±0,5 —0,7 — 1,7 Относительная частотная ха- рактеристика, дБ 0,5± 1 —2±1,5 1,5±1,0 4,0 0,6 5,5±1,0 0—0,5 —1,5 Коэффициент гармоник, %, при остаточном магнитном по- токе 320 иВб/м 2 2,0 2,0 1,0 1,2 0,5 510 иВб/м 1,5 — 1,5 — — — 0,9 Относительный уровень шума намагниченной ленты, дБ —42 —40 —42 —42 —42 —40 —37,5 —45 Уровень шума паузы, дБ —60 — —60 —54 —56 —60 —59,5 —60 Уровень стирания, дБ —77 —70 —77 — — — —77 —77 Уровень копирэффекта, дБ —56 —52 —56 —48 —54 —54 —57 —60 Уровень записи прн Кг = 3%, дБ 7 — 7 5 6 6 5,5 7 Спад АЧХ иа максимальной частоте записи, дБ 4 — 5 — — — — 4 Сабельность, мм/м 2 7 2 4 2 3 1 1 Коробление, мм 0,05 0,14 0,05 0,2 0,15 0,07 0,02 0,01 Относительное удлинение под нагрузкой 10 Н 1,0 1,29 1.0 — — — 0,61 0,82 Остаточное удлинение после снятия нагрузки 10 Н 0,08 0,10 0,08 — — — 0,02 0,03 1 а б л и ц а 9.20. Длина магнитной ленты В катушках Номер (диаметр) катушки Тип катушки Длина леиты в катушке, м, прн толщине леиты, мкм 55 37 27 18 7,5 50 70 90 130 10 100 150 180 270 13 I 180 270 360 540 15 250 370 500 750 18 350 520 700 1050 18 220 330 460 690 20 340 500 700 1060 23 500 700 1030 1540 27 11 750 1100 1540 2310 32 1150 1750 2400 3600 35 1500 2200 3080 4630 ром 100 или 114 мм (ГОСТ 12796—67 и ГОСТ 21717—76) или иа катушках типа II (ГОСТ 16824). Более широкие магнитные ленты для профессиональных магнитофонов хранят на катушках типа II и сердечниках диаметром 114 мм. Ленты шириной 6,25 мм для бытовых магнитофонов хранят иа катушках типа I (ГОСТ 13275—67). Ориентировочные длины лент иа катушках типа I и II указаны в табл. 9.20. Перфорированные магнитные лен- ты хранят на сердечниках по ГОСТ 3917—64. Рулон содержит 315 ... 350 м леиты. Магнитные леиты шириной 3,81 мм хранят в кассетах по ГОСТ 20494—75. Кассеты МК-60 содержат по 90 м леиты толщиной 18 мкм и обе- спечивают при скорости 4,76 см/с 60-мииутиую запись (с переворачиванием кассеты). Кассеты МК-90 и МК-120 с лентой толщиной 14 н 10 мкм соответственно обеспечивают длитель- ность записи 90 и 120 мин. Катушку или сердечник с рулоном леиты надо хранить в полиэтиленовом мешочке и кар- тонной коробке, поставленной вертикально. 258
Леиты надо оберегать от сырости, прямого дей- ствия солнечного света и сильного иагрева, от действия полей рассеяния силовых трансфор- маторов электродвигателей, магнитных полей микрофонов и громкоговорителей. Нормаль- ными климатическими условиями считают температуры 15 25 °C и относительную влажность воздуха 45 ... 80%. Нежелательно иатяжеиие ленты с силой более 1 Н при тол- щине 55 мкм, более 0,6 Н при толщине 27 и 37 мкм и более 0,4 мкм при толщине 18 мкм. Нормальное контактное давление леиты иа сердечники головок — примерно 8 кПа. При меиьшем давлении увеличиваются волно- вые потери иа верхних частотах. Измерительные магнитные ленты. Ленты служат для проверки и регулирования кана- лов воспроизведения магнитофонов Они со- держат фонограммы измерительных сигналов. Обозначение измерительных лент шириной 6,25 мм, предназначенных для проверки и ре- гулирования профессиональных стационарных и репортерских магнитофонов, по ГОСТ 8309—77 имеет следующие элементы 1. Сокращенное название ленты — ЛИМ (лента измерительная магнитная). 2. Цифру, обозначающую количество до- рожек: 1 —для проверки одиокаиальных мо- нофонических магнитофонов, 2—для про- верки двухкаиальных стереофонических маг- нитофонов. 3. Буквенное обозначение проверяемого параметра: У — для проверки выходного уровня, Н —для проверки и установки угла наклона рабочих зазоров магнитных головок, В — для проверки правильности установки магнитных головок по высоте, Ч — для про- верки АЧХ, Д—для измерения коэффици- ента детонации и колебаний скорости, П — для измерения переходного затухания между каналами (относительного уровня проника- ния из одного канала в другой). 4. Одну или две цифры, обозначающие ок- ругленное значение скорости (см/с): 38, 19, 9. Леиты для проверки уровня содержат за- пись опорной частоты 1000 Гц дли скоростей 38,1 и 19,75 см/с и частоты 315 Гц для скоро- сти 9,53 см/с с номинальным уровнем записи, принимаемом за 0 дБ Номинальный уровень записи связывают с величиной остаточного магнитного потока фонограммы на 1 м шири- ны дорожки записи. Это позволяет задавать уровень записи независимо от ширины дорож- ки. Для лент ЛИМ ГУ.38 н ЛИМ.ГУ.19 номинальный уровень записи соответствует остаточному магнитному потоку 320 нВб/м, для ленты ЛИМ ГУ.9 — 256 нВб/м, для стереофонических записей на всех скоростях— 510 нВб/м. При таких уровнях записи коэффи- циент третьей гармоники не превышает 2 %. Длительность записи в ЛИМ.1 —не менее 1 мип. В ЛИМ.2 запись сначала содержится по первой дорожке длительностью 10 с, за- тем иа второй дорожке (10 с) и затем на обеих дорожках (1 мии). Для катушечных бытовых магнитофонов номинальный уровень записи на частоте 400 Гц соответствует 256 нВб, м, для кассет- ных — 250 иВб/м. При воспроизведении сигналограммы с за- писью синусоидального измерительного сиг- нала частоты 1000, 315 или 400 Гц соответст- вие. 9.34. Расположение магнитных дорожек 1—6 иа перфорированной магнитной лей- те шириной 35 мм (а, б, в, г), на киноленте шириной 70, 35, 16, 8 мм (д, е, ж, з) 9* 259
йенно усиление канала воспроизведения регу- лируют таким образом, чтобы выходное напря- жение равнялось номинальному для данного типа магнитофона. После этого снимают изме- рительную ленту, устанавливают используе- мую ленту и осуществляют запись синусои- дального сигнала соответствующей частоты. Затем, не изменяя усиление канала воспроиз- ведения, подбирают ток записи таким образом, чтобы выходное напряжение при воспроизведе- нии записываемого сигнала оказалось равным номинальному. Измерительные ленты для проверки и уста- новки угла наклона рабочих зазоров магнит- ных головок монофонических магнитофонов содержат двухдорожечную противофазную за- пись с чередующимися через 1 с дополнитель- ными сдвигами по фазе сигналограммы одной из дорожек относительно другой в сторону опе- режения или отставания. Общая длительность записи — не менее 3 мин. Частота измеритель- ного сигнала на ленте ЛИМ.1.Н.38—4000 Гц, на ленте ЛИМ.1.Н.19— 2000 Гц, на ленте ЛИМ.1.Н.9 — 1000 Гц. При правильно ус- тановленной головке спад уровня при воспро- изведении лент ЛИМ.1 Н по сравнению с вос- произведением лент ЛИМ 1.В составит 14 дБ. Измерительные ленты ЛИМ.2.2 для про- верки положения головок стереофонических магнитофонов по высоте содержат запись час- тоты 1000 Гцс номинальным уровнем по дорож- ке, расположенной по середине ленты, шири- ной 0,75 мм. Длительность записи 1 мин При правильной установке головки напряжения, получаемые на выходе обоих каналов, должны быть равны. Параметры измерительных лент для провер- ки АЧХ каналов воспроизведения магнито- фонов приведены в табл. 9 21 Ленты для измерения коэффициента дето- нации содержат запись частоты 3150 Гц и уров- нем записи — 12 дБ для скоростей 38,1 и 19,05 см/с и —16 дБ для скорости 9,53 см/с. Длительность записи — не менее 10 мин Соб- ственное значение коэффициента детонации из- мерительных лент ЛИМ 1.Д.38, ЛИМ.1.Д.19, ЛИМ.1.Д.9 не превышает соответственно ±0,01, ±0,02; ±0,03%, а коэффициента ко- Таблица 9.21 Параметры измерительных лент для проверки АЧХ Параметры ЛИМ.1.4.38 ЛИМ.1.4.19 ЛИМ. 1.4.9 ЛИМ.2.4.38 ЛИМ.2.4.19 ЛИМ.2 4.9 Число дорожек записи 1 1 1 2 2 2 Частоты записи, Гц 1000 1000 315 1000 1000 315 16000 14000 12500 Белый шум в полосе 1000 1000 315 1000 10000 31,5 31,5 40 16000 16000 12500 63 40 63 1000 1000 315 125 63 80 31,5 31,5 40 250 80 125 63 63 80 500 125 250 125 125 125 1000 250 500 250 250 250 2000 500 1000 500 500 500 4000 1000 2000 1000 1000 1000 6300 2000 4000 2000 2000 2000 8000 4000 6300 4000 4000 4000 10000 6300 8000 6300 6300 6300 12500 8000 10000 8000 8000 8000 16000 10000 12500 10000 10000 10000 12500 12500 12500 12500 14000 16000 16000 16000 16000 Уровень записи на установочной частоте, дБ Постоянная времени для частот- —20 —20 - 20 —20 —20 —20 ной характеристики потока корот- кого замыкания магнитной ленты, мкс 35 70 140 35 70 140 Длительность записи, с: первой частоты 20 20 20 20 20 20 белого шума — — — 30 30 30 второй частоты 30 30 30 30 30 30 остальных частот 10 10 10 10 10 10 260
лебаний скорости ±6,04, ±6,06; ±0,10%, что не менее чем в три раза меньше, чем у луч- ших серийно выпускаемых магнитофонов. Ленты ЛИМ 2 П для измерения переход- ного затухания между каналами (относитель- ного уровня проникания из одного канала в другой) содержат поочередную запись по пер- вой и второй дорожкам частот 63, 1000 и 10 000 Гц с уровнем — 20 дБ. Длительность записи на каждой частоте — 10 с. Разница уровней дорожек с записью и без нее — не менее 50 дБ, Измерительные ленты ЛИЛ для бытовых магнитофонов (ленты измерительные люби- тельские) изготавливают по техническим требо- ваниям, изложенным в ГОСТ 19786—74, Пол- ное обозначение лент, кроме аббревиатуры ЛИЛ и букв У, Ч, Д, И содержит еще ряд цифр. Цифра перед аббревиатурой ЛИЛ обо- значает ширину дорожки в миллиметрах (ок- ругленно), а после нее — условное обозначе- ние расположения дорожек записи. Методика использования лент ЛИЛ в принципе не отли- чается от методики использования леит ЛИМ. Некоторое различие имеется лишь в оценке детонации. При измерении детонации профес- сиональных магнитофонов используют дето- нометр, соответствующий требованиям ГОСТ 11984—66. В детонометре демодулированиый сигнал поступает на фильтр, АЧХ которого отображает чувствительность слуха к частот- ной модуляции звука, происходящей с разной частотой (рис. 9.35). Таким образом, коэффи- циент детонации — коэффициент паразитной частотной модуляции звука — измеряют с уче- том свойств слуха. При измерении коэффициен- та паразитной частотной модуляции с помощью леит ЛИЛ взвешивающий фильтр не включают. Коэффициент паразитной частотной модуля- ции части ЛИЛ Д для скоростей 19,05; 9.53 и 4,76 равен соответственно ±0,06, ±0,1 и ±0,15 % Для проверки и регулирования аппаратов магнитной записи и воспроизведения 35-мм фонограмм применяют ленты 35ЛИМЗ (лента измерительная магнитная звуковая) двух типов: многочастотную 35ЛИМЗ.МЧ для про- верки и регулирования номинального уровня на выходе канала воспроизведения, регули- рования угла наклона рабочего зазора голов- ки воспроизведения и проверки и регулирова- ния АЧХ канала воспроизведения и 35ЛИМЗ. 3150 для измерения коэффициента детонации и коэффициента колебаний скорости. Лента 35ЛИМЗ МЧ содержит три части. 1. Запись синусоидального сигнала часто- ты 400 Гц при величине остаточного магнит- ного потока 320 нВб;м длительностью 80 с. 2. Запись синусоидального сигнала часто- ты 12 500 Гц с уровнем — 10 дБ относительно номинального. Угол между магнитным штри- хом и направлением движения ленты составля- ет 90° ±3'. 3. Запись синусоидальных сигналов с частотами 400, 12 500, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000,6300, 8000, 10 000, 12 500, 16 000 Гц и уровнем —6 дБ ниже номинального. Рис. 9.35. Амплитудно-частотная характери- стика детонометра Лента 35ЛИМ3.3150 содержит запись сину- соидального сигнала частоты 3150 Гц и уров- нем—6 дБ ниже номинального на опорной частоте 400 Гц. Запись произведена на аппара- те с коэффициентом детонации 0,012. 0,015 %, т. е. в три раза меньше, чем у лучших профес- сиональных стационарных аппаратов. Ленты содержат однодорожечиую запись по ГОСТ 19869—74 на скорости 45,6 см/с и исполь- зуются для настройки однодорожечных аппа- ратов Для проверки и регулирования много- дорожечных аппаратов используют ленту, на которой испытательный сигнал записан иа дорожке шириной 23 мм, занимающей всю ши- рину ленты между перфорациями 9.7. МАГНИТОФОНЫ Классификация. По области применения различают магнитофоны профессиональные, бытовые, специальные и диктофоны. Профес- сиональные, в свою очередь, подразделяют иа стационарные (студийные) и репортерские. Стационарные магнитофоны предназначе- ны для профессиональной звукозаписи в ап- паратных звукозаписи, звукового и телеви- зионного вещания, кинематографии; ре- портерские — для записи речи и музыки в вы- ездных условиях и репортажа. Особой груп- пой профессиональных магнитофонов являют- ся синхронные магнитофоны, обеспечивающие синхронность звука и изображения прн произ- водстве кинофильмов. Бытовые магнитофоны служат для любительской звукозаписи. К специальным относятся магнитофоны, пред- назначенные для выдачи справок и рекламы (так называемые автоответчики), для поясне- ний в музеях и на выставках, аппараты для записи диспетчерских переговоров и т д. Диктофоны предназначены для записи речи с последующей ее перезаписью иа пишущей машинке или от руки. По числу каналов (дорожек) магнитофоны разделяют на одно- и многодорожечные; по способу записи информации — иа аналого- вые и цифровые. В профессиональных стационарных маг- нитофонах используют открытые рулоны лент намотанные на сердечники, в профессиональ 261
Рнс. 9.36. Структурная схема бытового маг- нитофона пых репортерских и в бытовых используют леиты на катушках или в кассетах, в специ- альных — в качестве носителя записи кроме леит используют магнитные диски, барабаны с покрытием из магнитной резины и другие виды носителей; в диктофонах — кроме лен- точных и проволочные носители. Основное требование к стационарным маг- нитофонам — высокое качество записи и вос- произведения звука. Особых требований к ог- раничению массы, размеров и энергопотребле- ния обычно не предъявляется. Структурная схема стационарного магнитофона подобна изображенной на рис. 9.25. Сквозной канал обеспечивает проверку качества фонограммы в процессе ее записи. Особые меры принимают для стабилизации скорости. Используют два способа: устройство стабилизации частоты вращения ведущего двигателя и' следящую систему. При первом способе питание ведущего синхронного двига- теля осуществляется от источника, имеющего стабильную частоту, в частности от кварцево- го генератора Однако при таком способе воз- можно появление дрейфа скорости вследствие проскальзывания ленты между ведущим валом и прижимным роликом. При втором спосо- бе на одну из дорожек ленты записывают сиг- нал от источника стабильной частоты. При вос- произведении из-за несовпадения скоростей записи и воспроизведения частота этого сиг- нала изменится Устройство сравнения слича- ет частоты (фазы) воспроизводимого и опор- ного сигнала и вырабатывает сигнал ошибки, который используют для подстройки частоты вращения ведущего двигателя. В современных профессиональных магнито- фонах имеется блок автоматики и управления. Он предназначен для управления режимами работы магнитофона, проверки состояния бло- ков магнитофона и быстрого отыскания нужно- го участка фонограммы. Примерами профессиональных стационар- ных магнитофонов являются отечественные магнитофоны МЭЗ-62 (скорости 38,1; 19,05; 9,53 см'с) и МЭЗ-102 (скорости 38,1 и 19,05 см/с). В профессиональной звукозаписи кроме аппаратов, в которых используют лен- ту шириной 6,25 мм, нашли применение много- дорожечные аппараты с количеством дорожек до 24 и лентой шириной 25,4 или 50,8 мм. Репортерские магнитофоны используют для внестудийных записей. Главные требова- ния к ним малая масса, компактность, надеж- ность, автономное или универсальное питание. Скорость записи обычно одна — 9,53 см/с. Контроль записи — на головные телефоны. В последних образцах репортерских магнито- фонов вместо катушек используют компакт- кассеты. Синхронные магнитофоны производят в двух модификациях. В первой синхронизация а) Рнс 937 Расположение дорожек иа ленте в катушечном магнитофоне (а) и в кас- сетном магнитофоне (б) 262
Таблица 9.22. Параметры профессиональных магнитофонов Параметр Для стационарных Для репортерских Скорость движения ленты, см/с Предельное отклонение от нормируемой 38,1 19,05 19,05 9,53 средней скорости, % ±0,3 ±0,3 ±0,5 ±0,5 Коэффициент детонации, %. Номинальный остаточный магнитный поток, нВб/м, на частоте 1 кГц ±0,04 ±0.06 ±0,5 ±0,5 для монофонических магнитофонов 320 320 320 256 для стереофонических магнитофонов Относительный уровень помех в каналах воспроизведения, дБ, 519 510 — — для монофонических магнитофонов —65 —62 —60 - 56 для стереофонических магнитофонов Относительный уровень помех в каналах записи — воспроизведения, дБ, - 66 64 — — для монофонических магнитофонов 61 58 56 -52 для стереофонических магнитофонов 62 —60 — — Коэффициент гармоник, %, в каналах запи- си— воспроизведения на частоте 1 кГц для магнитофонов: монофонических 1 2 1 2 стереофонических Коэффициент разностного тона второго по- рядка, %, в канале записи — воспроизведе- 2 — — иия 1 — 1 — Относительный уровень стирания на часто- те 1 кГц, дБ Длительность пуска магнитофона в режи- -75 -75 72 72 мах записи и воспроизведения, с 1 — — Наработка на отказ, ч, не менее 650 650 осуществляется с применением пилот-сигнала В этом случае на обычную неперфорирован- ную ленту записывают кроме звуковой про- граммы синусоидальный сигнал стабильной частоты, кратной частоте смены кадров кино- фильма, и используют его при воспроизведе- нии для подстройки частоты. Во второй для за- писи используют перфорированную ленту. Привод киносъемочной камеры и магнитофо- на осуществляется синхронными двигателями, питаемыми от общей электросети. Бытовые магнитофоны являются автоном- ными устройствами, содержащими все блоки, необходимые для записи звука с микрофона и воспроизведения с помощью громкоговорите- ля (рис. 9.36) Чаще всего они имеют универ сальный усилитель УУ, используемый и при записи, и при воспроизведении, генератор стирания и подмагничивания ГСП, две маг- нитные головки — стирания ГС и универ- сальную ГУ. Источники записываемого сигна- ла — микрофон М, звукосниматель ЗС или линия проводного вещания Л — подключают- ся ко входу УУ через делитель напряжения Дел. Проверку уровня ведут с помощью изме- рителя уровня ИУ или простейшего индикато- ра, отмечающего превышение номинального уровня. Лентопротяжный механизм обычно имеет всего один двигатель, выполняющий все функции: движения ленты с постоянной ско- ростью, намотки, натяжения, ускоренной пере- мотки вперед и назад Недостатком магнитофонов, в которых ис- пользуются универсальный усилитель и уни- версальная магнитная головка, является не- возможность контроля качества записи в про- цессе ее проведения. Поэтому все большее рас- пространение получают магнитофоны со сквоз- ным каналом, подобные профессиональным, хотя они существенно дороже. Расположение двух и четырех дорожек на ленте в катушечном магнитофоне показано на рис. 9.37, а, а в кассетном магнитофоне — на рис. 9.37, б. В катушечном магнитофоне при монофонической записи последовательно используются дорожки 1 —4—3—2, при стерео- фонической — 1—3, затем 4—2 (рис 9.37,а) В стереофонических кассетных магнитофонах вначале осуществляется запись на дорожках 1—2, затем на дорожках 3—4. Специальные магнитофоны имеют разнооб- разную конструкцию в зависимости от обла- сти применения. Важнейшим требованием к этим магнитофонам является высокая надеж- ность. Многократное воспроизведение запи- санной в автоответчиках информации застав- ляет применять высокостойкие носители за- писи. например магнитную резину Для умень- 263
(пения трения между головкой и носителем за- писи применяют смазку из жидких масел или используют бесконтактное воспроизведение. В последние годы в автоответчиках стали при- менять устройства памяти на твердотельных накопительных элементах. Диктофоны имеют простую, достаточно прочную конструкцию, поскольку при переза- писи текста приходится многократно останав- ливать ленту, возвращать ее назад с помощью так называемого отката, часто включать и вы- ключать аппарат. В диктофонах используют ленту шириной 6,25 и 38,1 мм, магнитную проволоку, магнитные диски и петлевые носи- тели записи. Параметры магнитофонов. Параметры про- фессиональных магнитофонов нормируются ГОСТ 1207—74, бытовых катушечных — ГОСТ 12392 — 71, кассетных ГОСТ 20883 — 75 (соответственно табл 9.22, 9.23, 9.24). Норми- руются общие параметры, характерные для любых устройств звукового диапазона (диа- пазон звуковых частот, неравномерность АЧХ, коэффициент гармоник, уровень помех), и специфические для аппаратов магнитной запи- си параметры (скорость движения ленты, ко- эффициент детонации, номинальный уровень записи и др.). Примерами отечественных профессиональ- ных стационарных магнитофонов служат магнитофоны МЭЗ-28, МЭЗ-62, МЭЗ-102. Из них наиболее распространен последний МЭЗ-102. Магнитофон имеет две скорости: 38,1 и 19,05 см/с (по особому заказу выпуска- ется с другими наборами скоростей: 19,05 и 9,53; 38,1 и 9,53 см/с). В нем используют лен- ты А4615—6Р с номинальным остаточным магнитным потоком 320 иВб/м при скорости 38,1 см/с, А4414—6Р с номинальным оста- точным магнитным потоком 320 нВб/м при Таблица 9.23. Параметры бытовых катушечных магнитофонов Параметр Норма по группам сложности 1 2 3 4 Номинальные скорости ленты, см/с ( 19,05 9,53 9,53 4,76 обязательные 9,53 4 76 1 4 76 ИЛИ 19,05 и 9,53 не обязательные 2,38 19,5 4,76 9,53 или 4,76 или или 2,38 2,38 2,38 Отклонение скорости от номинального зна чения, %, не более ±2 ±2 ±2 ±2 Коэффициент детонации, %, не более, при скорости, см/с Питание от сети переменного тока 19,05 ±0,1 ±0,2 9,53 ±0,2 ±0,3 ±0,3 4.76 ±0,3 ±0 4 Автономное или универсальное питание 19,05 ±0,3 — 9.53 ±0,4 ±0,4 4,76 — ±0,5 — ±0,6 Номинальный остаточный магнитный по- ток, нВб/м, на частоте 400 Гц 256 256 256 256 Рабочий диапазон частот, Гц, при скоро- сти, см/с 19,05 40 -18 000 40—16 000 — — 9,53 40—14 000 63—12 500 63 (2 509 — 4,76 63 8000 63 6300 — 80 6300 Относительный уровень помех в каналах записи-воспронзведения, дБ, не хуже, при числе дорожек: 2 - 48 45 -42 40 4 —45 42 -39 —37 Коэффициент гармоник на линейном выхо де на частоте 400 Гц, %, не более 3 4 4 5 Переходное затухание между стереоканала мн, дБ, ие хуже, на частотах, Гц: 80 —29 —20 —. 1000 - 35 35 .— — 8000 30 30 — — 264
Таблица 9.24. Параметры бытовых кассетных магнитофонов Норма по группам сложности Параметр I 2 3 4 Номинальная скорость ленты, см/с Отклонение скорости от номинального зна- 3,81 3,81 3,81 3,81 чения, %, не более ±1,5 ±2,0 ±2,0 ±2,0 Коэффициент детонации, %, не более 0,2 0,3 0,35 — То же, для носимых аппаратов Номинальный остаточный магнитный поток, — 0,4 0,4 0,5 нВб, на частоте 400 Гц 250 250 250 250 Рабочий диапазон частот, Гц Относительный уровень помех в канале записи-воспроизведения, дБ, не хуже, для магнитофонов 40—14 000 63—12 500 63—10 000 80—8000 монофонических — —46 —42 —40 стереофонических Коэффициент гармоник в канале записи— воспроизведения на линейном выходе при частоте 400 Гц и номинальном уровне —46 —44 —40 записи, %, не более Переходное затухание между стереоканала ми, дБ, не хуже, на частотах, Гц 4 5 5 5 80 —22 -18 — 18 — 1000 - 30 —25 -25 — 8000 -18 -16 -16 — скорости 19,05 см/с, А4409 с номинальным остаточным магнитным потоком 256 нВб/м при скорости 9,53 см/с. Может быть исполь- зована лента A260I—6Р при скоростях 38,1 и и 19,05 см/с с номинальным остаточным маг- нитным потоком 256 нВб/м. Потребляемая электрическая мощность не превышает 250 Вт. Масса магнитофона 150 кг. Параметры маг- нитофона в основном соответствуют ГОСТ 12107—74. В профессиональной звукозаписи широко используют венгерские магнитофоны: моно- фонические STM 200В, STM-600, стереофони- ческие STM-210B, STM-300, STM-6I0. Магни- тофоны STM-600 и STM-610 имеют две ско- рости: 38,1 и 19,05 см/с или 19,05 и 9,53 см/с, полоса рабочих частот: от 30 до 18 000 Гц при скорости 38,1 см/с и от 30 до 16 000 Гц при ско- рости 19,05 см/с и неравномерности АЧХ не более 3 дБ, коэффициенте детонации на ско- рости 38,1 см/с не более 0,035 %, уровне ин- тегральной помехи не более —61 дБ Магни- тофоны работают с лентами Scotch-250, Agfa PER-525, Agfa PER-555, BASF — LR-56P. Венгерский многодорожечный магнитофон STM-700 при работе с лентой шириной 25,4 мм является восьмиканальным, при работе с лен- той шириной 50,8 мм — 16-канальным уст- ройством. Особенностями перечисленных магнитофо- нов являются: высокая стабильность частоты оборотов благодаря применению кварцевой стабилизации (нестабильность частоты не пре- вышает 10s), дистанционное управление все- ми операциями, электронное регулирование на- тяжения ленты, использование головок запи- си и воспроизведения со сроком службы от 5000 до 10 000 ч. Для оперативных записей широко исполь- зуются магнитофоны «Репортер» совместной разработки СССР и ВНР, выпускаемые венгер- ским заводом ML (Р — 5, Р — 6, Р — 7), и «Награ» швейцарской фирмы «Кудельски» (типы IV — S, 4.2, IS — D, SNN—2, SNS — 2, IV — SJ) Некоторые параметры этих магнитофонов приведены в табл. 9.25. Магнитофоны «Репортер» имеют параметры качества, примерно соответствующие первому классу качества по ГОСТ 11515—75. Магнито- фон Nagra SNN — 2 имеет полосу частоты 80 ... 15 000 Гц при неравномерности АЧХ± ±2 дБ, Nagra SNS — 2 — полосу частот 80... ... 5000 Гц при неравномерности АЧХ±3 дБ. Уровень помех соответствеиио —63 и —48 дБ, коэффициент разностного тоиа 2 %, номинальные входное и выходное напряжения соответственно 160 и 630 мВ. Параметры лучших бытовых магнитофонов приближаются к параметрам профессиональ- ных магнитофонов, но большинство массовых магнитофонов уступает профессиональным, особенно по неравномерности АЧХ и коэффи- циенту детонации. Цифровые магнитофоны. Современные ана- логовые магнитофоны достигли высокой сте- пени совершенства: полоса рабочих частот простирается от 20 ... 30 Гц до 15 ... 20 кГц, 265
Таблица 9.25. Параметры репортерских магнитофонов Тип Скорость движения ленты Длительность записи на одну катушку кассеты, мин Масса, кг Габариты. мм Р-5 9,53 17...40 2,5 227X180X70 Р-6 9,53 17 40 4.0 245X176X90 Р-7 4,76 30X2 1,8 218X176X75 IV-S 38; 19; 9,5 — 7,05 ЗЗЗХ242ХНЗ 4.2 38; 19; 9,5 — 6,85 ЗЗЗХ242ХИЗ IS-D 19 — 4,5 275X200X80 SNN-2 9,5; 4,75 27...39 0,57 147ХЮ0Х26 SNS-2 4,75; 2,38 107... 156 0,57 147X100X26 IV-SJ 38; 19, 9,5, 3,8 — 7.3 ЗЗЗХ242ХИЗ динамический диапазон превышает 50.. .60 дБ1, коэффициент гармоник не превосходит 1...3 %, коэффициент детонации —0,04%. Однако некоторые параметры достигли предела и не могут быть улучшены. Уровень модуляцион- ного шума составляет примерно —40 дБ и заметен на слух. Не может быть существен- но уменьшен коэффициент гармоник. В про- цессе перезаписи увеличивается частотные я нелинейные искажения и помехи. Цифровые методы позволяют получить динамический ди- апазон 80 ... 90 дБ, коэффициент гармоник меиее 0,05 %, коэффициент частотных искаже- ний ± 0,5 дБ. Главное, благодаря регенера- ции импульсов можно сохранить это высокое качество даже после многократной перезаписи. В цифровых магнитофонах удается практи- чески полностью избавиться от характерных, специфических для аналоговой магнитной за- писи искажений: копирэффекта, детонации, структурного и модуляционного шума, помех из-за недостаточного стирания. В цифровых магнитофонах на ленту запи- сывают последовательность кодовых импуль- сов, отображающих в цифровой форме аналого- вый сигнал Последний дискретизируется, квантуется и кодируется в двоичном коде. При 1 При использовании системы шумоподав- ления до 86 дБ. воспроизведении осуществляются обратные операции: последовательность кодовых ком- бинаций преобразуется в последовательность восстановленных отсчетов. Выделяя с помощью фильтра низкочастотную составляющую, по- лучают вновь аналоговый сигнал. Структур- ная схема цифрового магнитофона показана на рис. 9.38. Существенное улучшение параметров каче- ства достигается путем резкого увеличения объема записываемой информации и, следова- тельно, путем заметного усложнения и удоро- жания магнитофонов. В цифровых магнито- фонах используют либо многодорожечную за- пись, либо преобразуют цифровые сигналы в так называемый квазителевизионный сигнал. Первый способ представляется наиболее пер- спективным. К его достоинствам относят до- статочно простой лентопротяжный механизм и небольшую скорость записи, что увеличивает срок службы магнитных головок и ленты. Не- достатки первого способа: сложность блока магнитных головок, большое количество элект- ронных блоков ввиду наличия нескольких ка- налов, в каждом из которых нужны усилители записи и воспроизведения, и, возможно, свои канальные кодеры и декодеры, увеличенные размеры и масса, большее потребление элект- роэнергии. Однако современная технология позволяет выполнить электронные блоки в од- Рнс. 9.38. Структурная схема цифрового магнитофона 266
Рис 9.39 ( труктурная схема цифровой приставки к видеомагнитофону ном корпусе в виде больших интегральных схем. Второй способ сводится к добавлению к видеомагнитофону, как правило, кассет- ному, цифрового преобразователя приставки (рис. 9.39). Поступающий на вход преобразо- вателя сигнал (обычно двухканальный — сте- реофонический преобразуется в И КМ кодере / в цифровой, затем в блоке 2 подвергается по- мехозащитному кодированию, в формировате- ле 3 преобразуется в квазителевизионный сиг нал, в котором вместо сигнала изображения на активной части телевизионных строк раз- мещен кодированный сигнал звука, и, наконец, поступает на вход видеомагнитофона ВМ. При воспроизведении квазителевизионный сигнал подвергается обратным преобразова- ниям: в видеоселекторе 4 выделяется цифро- вой сигнал, в декодере 5 производится исправ- ление ошибок и, наконец, в ИКМ-декодере 6 цифровой сигнал преобразуется в аналоговый. Достоинством такого способа записи является использование серийно выпускаемых видео- магнитофонов, что особенно важно для инди- видуальных пользователей. Добавление к име- ющемуся бытовому видеомагнитофону преоб- разователя, стоимость которого в 3 ... 5 раз меньше стоимости видеомагнитофона, расши- ряет эксплуатационные возможности аппара- та. Главный недостаток' недоиспользование емкости канала (примерно в 10 раз) и связан- ный с этим непроизводительный расход ленты» Относительно большие скорости лента — го- ловка (порядка 10 м/с) ускоряют износ ленты и головок. Главный недостаток цифровых магнитофо- нов сильное влияние выпадений сигнала, обусловленное повышенной плотностью запи- си. Из-за недостатков носителя, неконтакта или помех возможны ошибки при декодирова- нии, что может привести к щелчкам при вос- произведении. Для устранения или уменьше- ния ошибок применяют помехоустойчивые коды. В современных цифровых магнитофонах с продольной многодорожечной записью рас ход носителя записи не превышает расхода но- сителя в аналоговых магнитофонах. Аппа- ратурная сложность оправдана высоким ка- чеством воспроизводимых сигналов и возмож- ностью многократной перезаписи без ухудше- ния качества. В высококачественных кассет- ных цифровых магнитофонах используется лента шириной 3,81 мм, как и в аналоговых кассетных магнитофонах. Параметры некоторых зарубежных профес- сиональных и кассетных цифровых магнито- фонов приведены в табл 9 26 и 9.27. Таблица 9.26. Параметры профессиональных цифровых магнитофонов Параметр PC/M332I («Сони», «Ш ту дер») МХ80 (МХ80А) («Телефункен», «Мицубиси») МХ-800 («Телефункен», «Мицубиси») Количество каналов 24 2 32 Ширина ленты, мм 12,7 6,25 25,4 Количество дорожек 28 (24+2+1 + 1) 10 (2Х4+1 + 1) 38 (31+2+2+2) Ширина дорожки, мкм 240 — — Скорость записи, см/е 70; 76.2 38,1 76,2 Продолжительность записи, мин 65; 60 60 60 Частота дискретизации, кГц 44,1; 48 48 48 Число разрядов 16 16 16 Полоса частот, Гц — кГц 20.20 20...20 20...20 Неравномерность АЧХ, дБ +0,5...—1,0 +0,5...—1,0 +0,5...—1,0 Максимальный динамический диапа- зон, дБ 90 90 90 Коэффициент гармоник, % 0.05 0,05 0,05 Детонация Отсутствует Цифровая скорость, Мбит/с 1,152 1,884 0,942 Масса, кг 200 80. 120 — Габаритные размеры, мм 830X990X740 — 1250X715X2250 Потребляемая мощность, кВт 3 0,35 — 267
Таблица 9.27. Параметры цифровых кассетных магнитофонных панелей Параметр Значение jvs Sharp Pioneer Sony Sanyo Число дорожек 9 (4X2+1) 18 (8X2+2) 8 (4X2) 38 (16X2+6) 10 (5X2) Ширина дорожки, мкм 180 120 250 70 180 Скорость записи, см/с Продолжительность записи на 7,1 9,5 9,5 4,75 7,0 кассетах С-90, мин 60 22,5 22,5 45 30 Частота дискретизации, кГц 33,6 44,056 44,1 44,1 44,056 Число разрядов Экв. 14 14 14 16 14 Полоса частот, Гц...кГц 20...20 20.. 20 20..20 20...20 20...20 Неравномерность АЧХ, дБ Максимальный динамический +0,5...—21 +0,5...— ! +0,5...—1 +0,5...—1 +0,5...—1 диапазон, дБ 80 80 80 90 80 Коэффициент гармоник, % Детонация 0,05 0,05 Отсут 0,05 гтвует 0,05 0,05 Цифровая скорость, Мбит/с 1,04 2,15 1,5 2,16 2,06 Магнитная лента Металлизи- — Кобальти- Лента для Металлизи рованная зированная видеозапи- си рованная 9.8. ЛАЗЕРНАЯ ЗВУКОЗАПИСЬ НА КОМПАКТ-ДИСК ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ЗВУКОЗАПИСИ НА КОМПАКТ-ДИСК Компакт-диск — это коммерческое назва- ние системы звукозаписи, разработанной сов- местно фирмами «Филипс» (Голландия) и «Соии» (Япония) в конце семидесятых годов, причем фирма «Филипс» разработала функцио- нальные принципы и аппаратурные средства, а фирма «Сони» — способы преобразования сигналов и соответствующую микросхемотех- нику. Носителем первичной записи служит стек- лянный полированный диск, на который нане- сен слой лака толщиной 0,12. .0,15 мкм, чув- ствительного к действию света. Запись произ- водят лазерным лучом. Растворитель удаляет лак с участков, подвергшихся действию света На лаковом слое образуются углубления дли- ной несколько микрометров и глубиной при- мерно 0,12 мкм. Ширина углублений — при- мерно 0,5 мкм. Процесс получения копий напоминает про- цесс изготовления граммофонных пластинок. На лаковую поверхность диска наносят хими- ческим путем или напылением в вакууме слой серебра, затем электропроводящую поверх- ность покрывают слоем никеля Многократ- ным копированием получают матрицы, кото- рыми прессуют компакт-диски из разжижен- ного поликарбоната. Диаметр компакт-дис- ков— 120 мм, толщина—1,2 мм На диск на- носят отражающий слой алюминия толщиной порядка 0.01 мкм и для защиты от царапин и грязи покрывают его прозрачным лаковым слоем толщиной 5 . 10 мкм При воспроизведении компакт диска луч маломощного полупроводникового лазера ин- фракрасного диапазона фокусируется на до- рожке записи. Если луч попадает на плоский участок дорожки, он отражается и поступает на фотоэлектронный преобразователь, а если на углубление — рассеивается. На выходе фотоэлектронного преобразователя получает- ся сигнал, отображающий двоичную информа- цию, записанную на диске ПРОИГРЫВАТЕЛИ КОМПАКТ-ДИСКОВ Проигрыватели компакт-дисков содержат движущий механизм, устройства декодирова- ния сигналов и исправления ошибок, слежения за дорожкой и стабилизации скорости считы вания, а также различные вспомогательные устройства. Система считывания информации с компакт- диска схематически изображена на рис. 9 40. Она содержит двигатель /, вращающий ком- пакт-диск 2. полупроводниковый лазер ин- фракрасного диапазона 3, собирающую лин- зу 4, направляющую лучистый поток через расщепляющую призму 5, поляризующую пластинку 6 и фокусирующую линзу 7 на от- ражающую поверхность компакт-диска 2 с углублениями. Поляризующая пластинка 6, толщина которой равна четверти длины волны лазера, вертикально поляризует лучистый по- ток, отраженный от поверхности компакт- диска. Расщепляющая призма с зеркальной поверхностью 8 пропускает лучистый поток от лазера, но не пропускает обратно лучистый по- ток, отраженный от поверхности компакт дис- ка. Этот лучистый поток направляется зер- кальной поверхностью через фокусирующую лиизу 9 иа фотодиод 10 268
Глубина резкости фокусирующей линзы .7 не превышает 0,4 мкм, что мало, так как вер- тикальные биения компакт-диска, закреплен- ного только в центральной части, превышают глубину резкости примерно в 100 раз. Необхо- димо динамическое слежение за поверхностью компакт-диска. В проигрывателе имеется сис- тема слежения для обнаружения расфокуси- ровки лазерного луча, вызванной вертикаль- ными биениями компакт-диска. При точной фокусировке из отраженного от компакт-дис- ка лучистого потока на поверхности фотодио- да формируется круг. При отклонении отра- жающей поверхности компакт-диска от за- данного положения круг превращается в эл- липс. Для оценки формы следа, создаваемого на поверхности фотодиода отраженным лучи- стым потоком, фотодиод имеет четыре секции (поля), с каждой из которых снимается свой электрический сигнал. Четыре выходных сиг- нала управляют положением фокусирующей линзы 7 с помощью фокусирующего устройст- ва 11. В результате сфокусированная точка удерживается на отражающей поверхности компакт-диска, несущей цифровую информа- цию в виде углублений разной длины. С по- мощью устройства 12 сфокусированная точка принимает правильное положение относитель- но дорожки записи. Система слежения уп- равляет также перемещением всего блока чи- тающего устройства от центра к краю диска и поддерживает постоянной линейную скорость чтения фонограммы, регулируя частоту вра- щения диска Частота вращения меняется от 500 мин-1 в начале воспроизведения до 200 мин-1 на краю диска (иначе от 8,33 до 3,33 с-1). Проигрыватель имеет весьма сложную электронную часть, предназначенную для де- кодирования записанных на диске сигналов, выделения и расшифровки различных служеб- ных кодов, разделения стереосигналов, исправ- ления ошибок. Одиночные ошибки считывания информации могут возникнуть из-за брака при прессовании компакт-дисков, царапин или загрязнения защитного слоя диска. Влияние царапин и за- грязнения защитного слоя значительно ослаб- лено, поскольку на поверхности защитного слоя луч лазера не сфокусирован Однако в некоторых случаях такие недостатки приводят к потере сотен и тысяч двоичных единиц ин- формации, поэтому эксплуатация проигрыва- теля без помощи устройств анализа и исправ- ления ошибок невозможна. Благодаря при- мененному способу кодирования, устройство исправления ошибок восстанавливает до 3500 потерянных подряд двоичных единиц инфор- мации, что соответствует нарушению целости 2,4 мм дорожки, а в некоторых случаях даже до 12 000 двоичных единиц, что соответствует нарушению целости 8,5 мм дорожки. Такая мощная исправляющая способность объясня- ется перестановкой (смещением) отсчетов перед записью, в результате чего вероятность груп- повых ошибок сильно уменьшена. Если ошибок так много, что они не могут (f+3)-(2+4)=0 (f<5)~(2+4)>0 (1+3)~(2+4) <0 Фокус нормально близко далеко Рис. 9 40. Схема проигрывателя компакт-ди- сков быть исправлены устройством коррекции, вступает в действие устройство интерполяции. Если в результате анализа выясняется, что между двумя достоверными отсчетами содер- жится недостоверный, он заменяется средне- арифметическим значением соседних. Если же подряд следует несколько недостоверных от- счетов, то перед началом ошибок начинает плавно уменьшаться коэффициент передачи, и к моменту появления ошибок он становится равным нулю. По окончании ошибок коэффи- циент передачи восстанавливается до первона- чальной величины. Для возможности такого анализа записанной информации и устранения влияния ошибок в проигрывателе имеется уст- ройство оперативной памяти. Декодирующие устройства проигрывателя содержат четыре больших интегральных схе- мы, выполняющих около 4 мли операций в секунду. ПАРАМЕТРЫ ЛАЗЕРНОЙ СИСТЕМЫ ЗВУКОЗАПИСИ НА КОМПАКТ-ДИСК Международная электротехническая ко- миссия (МЭК) в 1983 г. предложила стандарт системы записи звука на компакт-диски Стандарт регламентирует параметры системы, в том числе параметры самих компакт-дисков. Компакт-диски диаметром 120 мм содержат запись часовой программы. Толщина дисков — l,21g-.f мм, диаметр центрального отвер- стия 15±J:J мм, диаметр опорной плоскости 26.. 33 мм. Информация записана в виде сле- дующих друг за другом углублений, располо- 269
женных вдоль спиральной дорожки. Начало — ближе к центру, конец—ближе к краю диска. Двухканальная (стереофоническая) информа- ция закодирована длиной углублений и рас- стояний между ними. Длина углублений и рас- стояний между ними изменяется дискретно восьмью ступенями от 0,83 до 3,05 мкм при линейной скорости 1,2 м/с и от 0,972 до 3,56 мкм при линейной скорости 1,4 м/с. Шири- на углублений —0,5 мкм, глубина —0,12 мкм. Начальный диаметр области вхождения — ие более 46 мм, конечный диаметр области вы- ведения — 117 мм. Область записанной про- граммы имеет начальный диаметр 50 мм, ко- нечный диаметр 116 мм. Запись производится на одной стороне диска, противоположную (верхнюю при воспроизведении) сторону диска занимает этикетка. Содержание этикетки: на- именование программы, номер диска по ката- логу, если программа записана на нескольких дисках — номер диска в порядке следования дисков данной программы и общее количество дисков (например, диск 2 из 4) Ниже приводится сравнение некоторых па- раметров долгоиграющей граммофонной пла- стинки и компакт-диска: Компакт-диск содержит три зоны (три об- ласти): зону (область) вхождения, зону запи- си, зону выхода (область выведения). Во входной зоне содержится информация о коли- честве фонограмм (произведений), записанных на диске, время от начала диска до начала дан- ной фонограммы в минутах и секундах и в так называемых кадрах (кадр равен 1/75 с), вре- мя, отсчитываемое от окончания входной зоны до начала выходной, опознавательный номер диска в соответствии с номером по каталогу. Наличие информации о времени начала каж- дой фонограммы позволяет автоматизировать выбор данной фонограммы и осуществлять мно- гократное ее исполнение. В пределах зоны за- писи (зоны воспроизведения) записана инфор- мация программы, а также до восьми вспомо- гательных подкодов. Стандартизована длина волны лазера — 0,78 мкм. Число каналов записи —два (при удвоении скорости движения можно за- писать четыре канала). Количество разря- дов — 16, квантование — линейное Частота дискретизации рана 44,1 кГц, скорость передачи двоичных знаков в канале 4,3218 Мбит/с. Для защиты от искажений вво- дятся исправляющие коды, а для поддержа- ния установленной скорости чтения фонограм- мы — синхронизирующие сигналы Компакт-диски обеспечивают полосу час- тот от 20 до 20 000 Гц при неравномерности не более ±0,5 дБ и отношении сигнал-шум кван- тования более 90 дБ. Переходное затухание между стереоканалами — более 90 дБ. Коэф- фициент гармоник на частоте 1 кГц менее 0,004 %. Мощность, потребляемая проигры- вателями, составляет 20 ... 30 Вт РАЗДЕЛ 10 ПЕРЕДАЧА АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ 10.1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ В результате преобразования первичного акустического сигнала в трактах и каналах передачи на их выходе создается вторичный акустический сигнал. В идеальном случае он должен точно воспроизводить первичный, но практически (с учетом свойств слуха) этого обычно не требуется. В технике художествен- ного вещания, звукового сопровождения теле- видения, звукозаписи и т. п надо стремиться к этому соответствию в пределах, в которых слуховое ощущение у слушателей близко к ощущению прн непосредственном слушании дайной программы в хороших акустических условиях. Для информационных программ и речевой связи определяющим является требо- вание понятности речи. Только после его вы- полнения необходимо стремиться к более точ- ному соответствию между вторичным и пер- вичным сигналами в пределах, в которых каче- ство звучания на слух удовлетворяет другим требованиям для данных условий. Во всех случаях существенную роль играет экономика. Нарушение точности передачи подразделя- ют на следующие виды: 1) потеря акустической перспективы; 2) смещение среднего уровня сигнала; 3) ограничение частотного и динами- ческого диапазонов, 4) линейные, нелинейные и переходные искажения; 5) маскировка шу- мами и помехами. Потеря акустической перспективы полу- чается при передаче акустических сигналов по одноканальным системам независимо от числа микрофонов в месте нахождения первич- ного источника звука и громкоговорителей в месте нахождения слушателей. Этот дефект до некоторой степени ослабляют применением многоканальных систем передачи, например стереофонической и системами передачи. Смещение уровней получается из-за того, что слушателю не сообщается значение сред- 270
него уровня первичного акустического сигна- ла. Поэтому слушатели устанавливают сред- ний уровень по своему усмотрению А так как в устройствах обработки сигналов этот уро- вень непрерывно изменяется, то, как правило, практически невозможно точно восстановить средний уровень, равный среднему уровню первичного акустического сигнала. К тому же по условиям звукоизоляции помещений не всегда и допустимо устанавливать такой уро- вень у слушателя. В результате смещения сред- них уровней происходит изменение соотноше- ния между громкостями низкочастотных и среднечастотных составляющих: повышение среднего уровня приводит к повышению громкости низкочастотных составляющих, по- нижение среднего уровня — к понижению громкости этих составляющих по сравнению с громкостью среднечастотных составляющих (см. § 2.3). Тракт передачи сигналов в силу ряда тех- нических и экономических причин ограничи- вает частотный диапазон сигнала, для расши- рения которого и применяют частотную кор- рекцию на низких и высоких частотах переда- ваемого диапазона (см. § 10.6). Ограничение динамического диапазона сиг- нала обычно определяется сверху появлением перегрузки отдельных звеньев тракта сигна- лов или возникновением недопустимых нели- нейных искажений, снизу — наличием шумов и помех в этом тракте. Чтобы избежать ограни- чения динамического диапазона сигнала, при- меняют сжатие его диапазона по возможности до пределов динамического диапазона тракта передачи. Динамический диапазон сигнала в ряде случаев может быть восстановлен на при- емном конце тракта, но это усложняет прием- ную аппаратуру, а иногда это и невозможно (например, при амплитудном ограничении). Искажения и маскировка шумами будут рас- смотрены в отдельных параграфах 10.2. ИСКАЖЕНИЯ СИГНАЛОВ Линейные искажения. К линейным искаже- ниям акустического сигнала относятся неже- лательные 1 изменения соотношений между амплитудами частотных составляющих сигна- ла при передаче его по тракту (изменения фа- зовых соотношений не играют роли в восприя- тии акустического сигнала, см. § 2.4). Эти ис- кажения называют частотноамплитудными или просто частотными. Одним из показателей тракта передачи сиг- нала является коэффициент передачи. Под ним подразумевают отношение звуковых давлений на выходе и входе тракта при передаче по нему синусоидального сигнала, те К = Р^Рм> где рм — звуковое давление в точке звукового поля, в которой будет находиться центр мик- рофона; рг — звуковое давление на расстоя- 1 Иногда для создания того или иного звукового эффекта сигнал специально «де- формируют» (искажают) (см. § 10.6). нии 1 м от акустического (рабочего) центра громкоговорителя (для громкоговорящего при- ема) или в камере искусственного уха (для телефонного приема). Коэффициент передачи тракта К — КглКэКг’ где Км ~ чувствитель- ность микрофона, B/Па; Кэ — коэффициент усиления электрической части тракта; Кг — чувствительность громкоговорителя нли теле- фона, Па/В Если коэффициент передачи тракта выра- жают в децибелах, то КдБ = 201йА ^мдБ Кэ дб ф А'гдБ, где КмяБ = 20 «м! Кэ дБ = 20 1g Кэ И К, ДБ — 20 1g Кг В идеальном случае коэффи- циент передачи К не должен зависеть от часто- ты, практически же он всегда зависит от нее, т е. К/ (со). В ряде случаев, например при передаче информационной речи или в телефон- ной связи, коэффициент передачи тракта необ- ходимо брать зависящим от частоты (см. ниже). Обычно это осуществляют в микрофонах, а в электрической части тракта коэффициент пере- дачи стремятся брать независимым от частоты в пределах передаваемого частотного диапа- зона. Отклонение частотной характеристики ко- эффициента передачи от оптимальной, называе- мое неравномерностью частотной характери- стики тракта, субъективно вызывает ощущение изменения тембра сигнала. При подчеркива- нии высокочастотных составляющих сигнал становится звонким, резким, а при значитель- ном подчеркивании сигнала становится свистя- щим и хриплым. Нри недостатке высокочастот- ных составляющих сигнал становится глухим Подчеркивание низкочастотных составляющих делает сигнал бубнящим и т п. Неравномерность частотной характеристи- ки тракта для передачи художественных про- грамм оценивают отношением величин макси- мального и минимального коэффициентов пере- дачи в заданном диапазоне частот: /И = К max/ Kinin Эту неравномерность обычно выражают в де- цибелах: ДЕ = 20 lgA4 = (-max (-inlii> где Lmi„ и Lmax— минимальный и максималь- ный уровни вторичного акустического сиг- нала при постоянстве уровня первичного. Уровень вторичного акустического сигнала (-вых = 20 Igp, Н 94, где р, — звуковое дав- ление (в паскалях) на расстоянии 1 м от акус- тического центра громкоговорителя, а для телефона — в камере искусствениного уха. Определим неравномерность частотной ха- рактеристики электрического тракта с помо- щью рис. 10 1, а Если в заданном частотном диапазоне 50 ... 10 000 Гц максимальное и ми- нимальное значения коэффициента передачи соответственно равны 20 и 5, то неравномер- ность составит Л4 = 20/5 4 или (в децибелах), i\L 20 1g 4 12 дБ (например, если макси- 271
мальиый выходной уровень равен 106 дВ, то минимальный будет 94 дБ). Если частотная характеристика тракта очень изрезана, то со- гласно ГОСТ при определении неравномерно- сти должны быть исключены все пики и прова- лы в частотной характеристике, ширина кото- рых не превышает 1/8 октавы. Это показано на рис. 10.1, б (исключены пики и провалы выше 2,4 кГц). Неравномерность частотной характеристи- ки для информационных программ и для рече- вой связи определяют относительно оптималь- ной частотной характеристики для передачи речи. Такой характеристикой, согласно между- народным стандартам, принята характеристи- ка с подъемом 6 дБ/октавы в сторону высоких -2-7 О 1.0 2.0 3,0 4,0 5.0 6,0 7.0 Окт Рис. 10.1 К определению неравномерности частотной характеристики: а —- общей для вещательного тракта; б — то же, тракта в случае узких пиков и провалов; в — для трактов передачи речи: /—фактическая; 2 — опти мяльная частот в диапазоне 300 ... 3400 Гц и равномер- ная в диапазонах 100 . . 300 и 3400 . 5000 Гц*. На рис. 10.1, в для иллюстрации приведены фактическая и оптимальная характеристики и показано определение неравномерности в виде отклонений фактической характеристики от оптимальной Частотные искажения уменьшают путем коррекции частотной характеристики тракта. По возможности это делают в звеньях тракта, соседних с искажающими. На рис. 10 2 приведены эксперименталь ные результаты определения заметности огра- ничения частотного диапазона сверху и снизу при неравномерности частотной характеристи- ки не более 5 дБ в испытуемой полосе. По оси ординат в этих кривых отложена оценка каче- ства звучания по 5-балльной системе. По оси абсцисс отложена граничная частота (на рис. 10.2, а — нижняя граничная частота, на рис. 10.2, б — верхняя). Параметром кривых служит соответственно в 10.2, а верхняя гра- ница (в килогерцах), а в 10.2, б — иижняя граница (в герцах). Отмечено, что пики по высоте и провалы по глубине, не превосходящие 4—5 дБ в области частот выше 500 Гц и 10 дБ в области низ- ких частот, практически незаметны Для речевой связи предельные значения не- равномерности равны 6 ...8 дБ по отношению к оптимальной характеристике. Нелинейные искажения. Нелинейными ис- кажениями называют искажения сигнала, обу словленные нелинейностью зависимости меж- ду вторичным и первичным сигналами в ста- ционарном режиме. В результате нелинейных безынерционных искажений входного сигнала синусоидальной формы получается выходной сигнал сложной формы и = А, sin <»/-)- А2 sin 2ы/ + <4Э sin Зю/-|- .... При подаче на вход двух составляющих с не- кратными частотами и /2 получается ряд со- ставляющих с частотами вида f = nft ± mf2, где пит — любые целые числа. Частоты этих составляющих называют комбинационными. В их число входят и гармоники обеих частот Для кратных исходных частот все комбина- ционные частоты совпадают с их гармониками. При подаче более сложного сигнала спектр вы- ходного сигнала становится еще более слож- ным, а при подаче звуков со сплошным спект- ром получается также сплошной спектр, но с измененной формой огибающей спектра. Нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом нелинейных искажений, пред- ставляющим отношение действующего значе- ния напряжения или звукового давления всех составляющих выходного сигнала, отсутствую- щих во входном сигнале, к действующему зна- чению напряжения или звукового давления 1 Для передачи художественной речи рекомендуется частотная характеристика, равномерная до 1500 ... 2 000 Гц, с подъемом 6 дБ/октавы выше 2000 Гц. 272
Рис. 10.2. Кривые заметности частот- ных искажений при ограничении частот- ного диапазона: а — сверху; б — снизу 2___________।----1______।--------- 50 ВО 100 150 200 Г,Гц а) всех составляющих выходного сигнала, входя- щих во входной сигнал. Если входной сигнал синусоидальный, то коэффициент нелинейных искажений называют коэффициентом гармони- ческих искажений. Он представляет собой от- ношение действующего значения всех гармо- ник выходного сигнала, начиная со второй, к действующему значению первой гармоники вы- ходного сигнала (иногда к действующему зна- чению всего выходного сигнала). Если нелинейность элемента тракта иа вы- соких частотах значительнее, чем на низких, то пользуются методом иитермодуляционных искажений. В этом случае к тракту подводят два синусоидальных сигнала с разными часто- тами (см. § 11.2). Различают два типа нелинейности: степен- ную У1 = "о + ахх + а2х2 + ..., где х и у — входное и выходное мгновенные значения сигнала, и нелинейность из-за ограничения ам- плитуды. Последняя делится иа ограничение сверху и ограничение снизу (центральное). На рис. 10.3, а и б показаны эти виды ограни- чения, При первом виде ограничения искажа- ются только громкие сигналы, при втором — все сигналы, но более слабые искажаются сильнее, чем громкие. Нелинейность искажения гармонического вида и суммовых комбинационных частот ощущаются как дребезжание, переходящее в хрипы при значительном искажении иа высо- ких частотах. Нелинейные искажения в виде разностных комбинационных частот вызывают ощущение модуляции передачи. На рис 10.4 приведены результаты экспериментальных исследований слышимости нелинейных иска- жений (в процентах лиц, заметивших искаже- ния) Несимметричные степенные искажения (по второй гармонике К2) менее заметны, чем симметричные (по третьей гармонике Ks). При сужении полосы частот нелинейные иска- жения становятся менее заметными. Переходные и параметрические искажения. Переходными искажениями* называют появ- ление «посторонних» составляющих во вторич- ном сигнале, обусловленных свободными ко- лебаниями в звеньях тракта. Частоты этих ко- лебаний могут ие совпадать с частотами состав- ляющих входного сигнала Как и при нелиней- ных искажениях, появляются комбинацион- ные частоты. Эти искажения возникают прн изменении режима работы тракта, при измене- нии амплитуды входного сигнала, а также вследствие инерциоииости устройств обработки сигналов. Слуховое ощущение этих искаже- ний сходно с ощущением нелинейных искаже- ний. К параметрическим искажениям относятся автопараметрический резонанс и детонация. 1 Не следует смешивать их с переходными помехами, т. е. с помехами, образующимися вследствие линейных и нелинейных переходов из одного канала в другой. Рис 10.3. Виды характеристик амплитудного ограничения: а — ограничение сверху; б — ограничение снизу (центральное) 273
Рис. 10.4. Слышимость про- дуктов нелинейных искаже- ний: а — для симметричных искаже иий; 6 — для несимметричных; I — для специалистов; 2 — для рядовых слушателей Первый вид искажений наблюдается в громко- говорителях (см. разд. 6), второй — в системах записи звука (см. разд. 9). Автопараметриче- ский резонанс выражается в появлении субгар- моник, т. е. колебаний с частотами, кратными дробной величине частоты основного колеба- ния Характер этих искажений сходен со зву- чанием нелинейных искажений иа низких час- тотах. Детонация сигнала выражается в из- менении частоты вторичного сигнала по отно- шению к частоте первичного Эти искажения прослушиваются и в виде «плавания» частоты сигнала, а при быстрых изменениях — в виде хрипов и дребезжания. 10.3. ШУМЫ И ПОМЕХИ В ТРАКТАХ И КАНАЛАХ СВЯЗИ И ВЕЩАНИЯ Шумы и помехи могут быть как акустиче- ского, так и электрического происхождения. Одиако независимо от происхождения их дей- ствие сводится к маскировке вторичного аку- стического сигнала, которая определяется по- вышением порога слышимости по сравнению с прослушиванием в тншиие (см. § 2.3). Если в результате действия шумов порог слышимости получается ие зависящим от времени, то такие шумы (по акустическим характеристикам) на- зывают «гладкими». Оии имеют пик-фактор, ие превышающий 6 дБ. К этим шумам отно- сятся: флуктуационные шумы дробового эф- фекта и речевые от нескольких голосов, зву- чащих одиовремеино. Если в результате действия шумов порог слышимости изменяется во времени в зависимо- сти от пик-фактора шума, то такие шумы назы- вают импульсными Кратковременные им- пульсы (до т = 150 мс) субъективно сглажива- ются, и происходит выравнивание временной зависимости порога слышимости. Импульсные шумы не только маскируют полезный сигнал, но и искажают его, создавая комбинационные частоты шума и сигнала. Получается нечто похожее на взаимную модуляцию сигнала и шума. Шумы электрического происхождения име- ют спектр, как правило, близкий к равномер- ному, а шумы акустического происхождения— ближе к речевому. Частотная зависимость по- рога слышимости для первых имеет тенденцию роста к высоким частотам Для речевых шумов порог слышимости почти ие зависит от ча- стоты. Индустриальные, атмосферные и станцион- ные помехи, кроме тональных, по их действию могут быть отнесены и к импульсным, и к глад- ким с равномерным спектром или с низкочас- тотным. Кроме этих помех, приходится иног- да считаться с помехами от самомаскировки речи (см. § 10.5). 10.4. ДОПУСТИМЫЕ ИСКАЖЕНИЯ ВЕЩАТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ Допустимые искажения определены из условий их заметности. Принято считать искажения заметными, если их замечают 75% слушателей. В распознавании искажен- ной речи большую роль играет фактор обуче- ния человека. Если при слушании искаженной речи человек может контролировать правиль иость распознавания речи (например, по смы- слу), то через некоторое время даже сильно искаженная речь будет распознаваться пра вильно (если при этом останется разница в зву- чании звуков речи). Особенно это имеет место при частотных искажениях. Ошибки распозна- вания получаются лишь в тех случаях, когда искажения приводят к таким изменениям зву- ков речи, которые изменяют смысл, или когда какое-либо слово нельзя распознать по смыс- лу (названия, фамилии и т.п ) Искаженную речь можно уподобить иностранной и перево- дить ее иа свой родной язык, для чего требует- ся известная тренировка. Человек, знающий азбуку Морзе, при слушании воспринимает ее как речь. Установлены классы качества трактов для вещательных передач художественных про- грамм. Высший класс (градация «отлично») — искажения незаметны; первый класс (градация «хорошо») — искажения заметны только для профессионалов, и то в отсутствие шумов и по- мех; второй класс (градация «удовлетворитель- но»)— искажения заметны для всех, но оии не портят впечатления при передаче художест- венной программы; третий — искажения нахо- дятся иа предельно допустимом уровне, и та- кой тракт допускается в исключительных слу- чаях. В табл. 10.1 приведены рекомендации, разработанные иа основе допустимых искаже- 274
Таблица 10.1. Показатели качества вещательных передач Показатель Значение в зависимости от класса качества высший 1 1! III Частотный диапазон, Гц 30... 15 000 50... 10 000 100...6000 200...4000 Неравномерность, дБ1, не более 6/2 6/2 16/6 16 Максимальный коэффициент гармоник. %, на частотах, Гц: менее 100 5 6 — — 100...200 1 2,5 8 — выше 200 1 2,5 3,6 7 Уровень шума относительного номиналы него уровня, дБ 67 65 60 — 1 В числителе дана неравномерность во всем диапазоне, в знаменателе — в основном. Примечание. В основном искажения вносят акустические звенья тракта: помещения, микрофон, излу- чатели. ний для вещательных трактов. Показатели ка- чества даны для частотного диапазона, допусти- мой неравномерности тракта, нелинейных ис- кажений. Неравномерность частотной характе- ристики дана для полного частотного диапазо- на каждого класса и для основного (200 ... 4000 Гц). Коэффициенты нелинейных искаже- ний даны для различных участков частотного диапазона и пикового (номинального) входно- го уровня. 10.5. ПОНЯТНОСТЬ И РАЗБОРЧИВОСТЬ РЕЧИ Понятность речи 1 является качественной характеристикой тракта. Для ее непосредст- венного определения есть только один метод: статистический с участием большого числа опе- раторов (слушателей и дикторов). Разработан косвенный, количественный метод определе- ния понятности речи через ее разборчивость. Разборчивостью речи называют относитель- ное или процентное количество принятых специально тренированными слушателями (артикулянтами) элементов речи из общего ко- личества переданных по тракту (см. [10.1]). 1 Подробнее изложено в [10 1 и 10 31. В качестве элементов речи применяют слоги, звуки, слова, фразы (команды), цифры. Соот- ветственно этому есть слоговая, звуковая, сло- весная, смысловая и цифровая разборчивость. В практике используют преимущественно сло- говую, звуковую и словесную разборчивость. На рис. 10.5 приведены статистические зави- симости между слоговой 5, словесной UZ и зву- ковой D разборчивостью для обычных теле- фонных переговоров на русском языке. В табл. 10.2 приведены градации понятности ре- чи и соответствующие им значения разборчи- вости, измеренные артикулянтами. Таблица 10.2. Разборчивость речи для различных градаций понятности передачи Понятность Разборчивость. % слоговая словесная Предельно допу- стимая Удовлетворитель- ная Хорошая Отличная 25...40 40...56 56...80 80 и выше 75..87 87 .93 93... 98 98 и выше Рис. 10.5. Зависимости: а — между словесной W и сло- говой S разборчивостью речи: б — между звуковой D и сло- говой S разборчивостью речи
Таблица 10.3. Нормы на допустимые искажения трактов речевых информационных передач Показатель качества Нормы на показатели для градаций качества отлично хорошо удовлетво- рительно предельно допустимо Частотный диапазон, Гц 70 10 000 100. 6000 300...3400 400...2500 Неравномерность, дБ (по отношению к тенденции 6 дБ/окт) Коэффициент гармоник, %, в основной по- 4 4 4 4 лосе 3 4 6 — Понятность речи была определена для обычных абонентов в процессе обычных теле- фонных переговоров. При этом понятность считалась отличной, если переговоры велись без переспросов, хорошей, если были отдель- ные переспросы редко встречающихся слов или неизвестных фамилий, названий и т.п., о ко- торых нельзя догадаться по смыслу; удов- летворительной, если требовались частые переспросы и слушатели сообщали, что труд- но разговаривать; предельно допустимой, если требовались неоднократные переспросы одно- го и того же материала в передаче отдельных слов по буквам и с полным напряжением слу- шателей. В табл. 10.3 даны допустимые иска- жения для трактов речевой связи и информа- ционных трактов. ФОРМАНТНЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА РАЗБОРЧИВОСТИ РЕЧИ Форманты звуков речи заполняют весь ча- стотный диапазон 150 ... 7000 Гц. Этот частот- ный диапазон делят на 20 полос равной раз- борчивости. В табл. 10.4 приведены границы таких полос для русского языка. Там же приве- дены и средние значения частоты для этих по- лос. Вероятность появления формант в каждой полосе равной разборчивости равна 0,05. Прн слушании речи в условиях шумов и помех раз- борчивость получается меньшей, чем в их от- сутствие. Коэффициент, определяющий это уменьшение, называют коэффициентом вос- Рис. 10.6. Зависимость коэффиниеп га разбор- чивости речи от уровня ощущения ее фор- мант: / для обычной речи: 2 для предельно ограни ченной по амплитуде приятия или коэффициентом разборчивости ш, т е. в каждой полосе равной разборчивости вероятность приема формант ДЛ = 0,05 и). Коэффициент разборчивости и> определяется уровнем ощущения формант Е = Вр — Вш, где Вр — средний спектральный уровень речи; Вш — спектральный уровень шумов. На рнс. 10.6 показано распределение спек- тральных уровней речи, т. е. интегральная ве- роятность появления уровня не менее задан- ного уровня речи, определенного за длитель- ный интервал времени, и заданного уровня (кривая /). Эта вероятность практически сов- падает с вероятностью распределения формант. Заметим, что это распределение почти не зави- сит от частоты. Кривая 2 соответствует пре- дельно ограниченной речи (по амплитуде). Коэффициент разборчивости w для глад- ких шумов 1 может быть определен с помощью рис. 10.6 и табл. 10.5. Для примера на этом рисунке показаны уровень ощущения £\ (рав- ным разности спектральных уровней речи Вр и шумов Вш) и соответствующий ему коэффи- циент разборчивости Wh- Он также может быть определен по приближенным формулам (см. § 10.7). Для каждой полосы равной разборчивости коэффициент разборчивости в общем случае будет разный (Юп). Поэтому суммарная вероятность приема формант, называемая разборчивостью формант: 20 [ 20 Дф- O.OSu’r*^- У, Ши- и = 1 п I На рис. 10.7 приведена зависимость между формантной Лф и слоговой разборчивостью (см. также табл. 10 6. в которых дана зависи- мость между формантной, слоговой S и сло- весной W разборчивостью речи). Пример. Шумы создаются разговорами со- седей (т е шум речевого типа) Разность меж- ду средним спектральным уровнем речи и спектральным уровнем шумов у слушателя равна 21 дБ Определить понятность речи 1 Для импульсных шумов вводят соответ- ствующие поправки, приведенные в (10.3]. 276
Таблица 10.4. Вспомогательные данные для расчета разборчивости речи а) По полосам равной разборчивости 3 о Границы полос равной разборчн- Ширине полосы д,р Средняя частота fp Спектральные уровни, дБ дьг. ДЕ речи акустических шумов* 1 дБ востн о Е Вр 5 2 Гц 1 200..330 130 265 45,5 39,0 43 47,0 50,0 71 1,0 2 330...465 135 400 44,5 38,0 46 44,5 48,0 70 1,4 3 465...605 140 535 41,5 35,5 47 42,5 46,0 69 1,75 4 605...750 145 680 39,0 33,0 49 40,5 44,0 69 2,1 5 750..900 150 825 36,5 30,5 50 38,5 42,0 68 2,35 6 900... 1060 160 980 34,0 28,0 51,5 36,5 41,0 68 2,60 7 1060... 1230 170 1145 32,0 25,0 51,5 34,5 40,0 67 2,85 8 1230. 1410 180 1320 30,0 23,0 51 32,5 39,0 67 3,1 9 1410. .1600 190 1505 28,5 21,0 51 30,5 38,0 66 3,4 10 1600... 1800 200 1700 27,0 20,0 51 28.5 37,0 66 3,7 11 1800...2020 220 1910 26,0 19,0 50,5 26,5 36,0 66 4,0 12 2020.2260 240 2140 25,0 18,0 50 24,5 35,0 65 4,3 13 2260.. 2530 270 2395 24,0 17,0 50 23,0 34,0 65 4.5 14 2530...2840 310 2685 22,0 16,0 49 21,5 33,0 65 4,7 15 2840...3200 360 3020 21,0 15,0 48 20,0 32,0 64 4,9 16 3290 .3630 430 3415 20,0 14,0 46 17,5 31,5 64 5,1 17 3630 .4150 520 3890 19,0 13,0 44 15,0 31,0 62 5,3 18 4150... 4790 640 4370 18,0 11,0 43 12,0 30,5 60 5,5 19 4790... 5640 850 5215 17,0 9,0 40 9,0 30.0 58 5,7 20 5640...7000 1360 6320 15,5 7,0 35 5,0 29,0 55 5,9 б) По октавным полосам октавы Границы октавы Ширина полосы д'р Средняя частота fp Спектральные уровни, дБ ДЕГ дБ речи В акустических шумов1 дБ 2 Гц Р « 2 3 4 5 1 175...350 175 250 45,5 39,0 43 47,0 50,0 71 1,0 2 350...700 350 500 41,5 35,0 47 42,5 46,0 69 1,8 3 700... 1400 700 1000 33,5 26.5 51 35.5 40,5 68 2,7 4 1400..2800 1400 2000 25,5 18,5 50 25,5 35,5 66 4,2 5 2800...5600 2800 4000 18,5 12,5 44 13,0 31,0 61 5,4 6 5600...7600 2000 6000 15,5 7,0 40 5,0 29,0 58 5,9 Сум марный уроне нь, дБ — 71,0* 65,0 83 73,0 77,0 104 * На расстоянии 1 м от рта. 1 Акустические шумы: / — речевые на открытом воздухе и в небольшом помещении; 2— праздничного гу- лянья; 3—в гулком помещении; 4 — производственные; 5—тракторные (Л£г— поправка на дифракцию около головы). 277
Таблица 10.5. Зависимость коэффициента разборчивости от уровня ощущения формант Еф. ДБ С s 5 Еф, ДБ W, оти. ед. Еф, дБ W, оти. ед. —12 0,01 — 1 0,17 22 0,90 — 11 0,015 0 0,20 23 0,915 — 10 0,02 3 0,30 24 0,93 —9 0,03 6 0,40 25 0.945 —8 0,04 9 0,50 26 0,96 —7 0,05 12 0,60 27 0,97 —6 0,06 15 0,70 28 0,98 —5 0,075 18 0,80 29 0,985 —4 0,095 19 0,83 30 0,99 —3 0,11 20 0,86 33 0,995 2 0,14 21 0,88 36 1,0 Таблица 10.6. Зависимость слоговой и словесной разборчивости от разборчивости формант Лф. оти. ед. % ‘У i % ‘ZB 4ф, ота. ед. ч Ь 0.5 5 30 0,55 84 98,5 0,10 15 63 0,60 87 98,8 0,15 26 76 0,65 90 99 0,20 36 85 0,70 92,5 99,2 0,25 46 90 0,75 95,2 99,4 0,30 54 93 0,80 96,5 99,6 0,35 62,5 94,5 0.85 98 99,7 0,40 69 96 0,90 99 99,8 0.45 75 97 0,95 99,5 99,9 0,50 80 98 1,00 100 100 Уровень ощущения £=21 дБ. Коэффициент разборчивости ш — (21—6)/30 = 0,5. Следо- вательно, формантная разборчивость 20 Дф = (1/20) V 0,5 = 0,5. п = 1 Рис. 10.7. Зависимость между слоговой формантной А разборчивостью S и Эта формантная разборчивость соответст- вует 80% слоговой, т. е. по табл. 10.1 —отлич- ной понятности. 10.6. ИНДЕКСЫ ТРАКТА Разборчивость речи во многом определяет- ся усилением тракта передачи, т. е. индексом тракта. В разделе «Озвучение и звукоусиле- ние» было введено понятие предельного ин- декса тракта при звукоусилении. Кроме него пользуются терминами рационального и фак- тического индексов тракта. Под рациональ- ным индексом тракта подразумевают такой ин- декс, при котором достигается близкая к мак- симуму разборчивость речи (дальнейшее уве- личение индекса тракта практически не повы- шает разборчивость речи, а из-за перегрузки слуха может только привести к ее снижению). Под фактическим индексом тракта подразуме- вают конкретное значение индекса реального тракта. При звукоусилении имеют дело со всеми тремя значениями индекса тракта, а при озвучении —только с рациональным и фак- тическим, так как предельного индекса нет из-за отсутствия обратной акустической связи. Все эти индексы тракта определяются для всех расчетных частот, для которых определя- ется разборчивость речи. Для открытых пространств рациональный индекс тракта Српц=^п — йр.м—АВП J 6, а для помещений <2рац = Ва — Вр.м — ДВП + 27. Здесь Ва — спектральный уровень за- данных акустических шумов; Вр.м — спект- ральный уровень речевого сигнала у микрофо- на; ДВП — относительный спектральный уро- вень помех (по отношению к спектральному уровню речевого сигнала у слушателя Вр.с). Для открытых пространств ЛВП = (Д£о.с ( + ) АБ„.п) + АВ*'. Для помещений ДВП = 10 1g/?тах + (50/3) lg TH ДВГ, где ДВГ — поправка на дифракцию около го- ловы (см. табл. 10.4); /?тах—акустическое от- ношение (см. § 7.1); Т — время реверберации, с; Д£о.с — относительный уровень отражен- ных сигналов; Д£в.п—относительный уро- вень запаздывающих сигналов от мешающих громкоговорителей (по отношению к уровню прямого звука у слушателя). Расчет фактического индекса текста. Сна- чала следует определить относительную частот- ную зависимость индекса тракта. Обычно ее нормируют относительно чувствительности тракта иа частоте 500 или 1000 Гц. Так как усилитель и другие звенья трак- та, кроме громкоговорителя и микрофона, 1 В отсутствие отраженного сигнала и взаимных помех выражение в скобках равно — 24 дБ. 278
Таблица 10.7 Пример расчета фактического индекса тракта Частота, Гц Чувствительность, дБ Суммарная чувстви тельность Индексы тракта, дБ микрофона громкого- ворителя предельный фактический рациональ- ный 250 —3,6 —2.0 —5,6 - 10,8 —14,8 —15,8 500 —2,0 0,3 —1,7 —9,4 — 10,9 —8,8 1000 0 0 0 —9.2 - 9,2 —11,8 2000 —0,4 — 1,0 — 1.4 —9,2 — 10,6 — 15,9 4000 —5,0 3,0 —2,0 —8,9 — 12,2 -14,9 6000 —4,0 1,0 —3,0 —8,9 — 12,2 — 16,8 Примечание. Для получения фактического индекса тракта 9,2 дБ, чтобы фактический индекс не превышал предельный. к суммарному индексу прибавлено практически не вносят искажений в частотную характеристику тракта, то расчет ведут толь- ко для электроакустических звеньев: микро- фона и громкоговорителя. Для построения нормированной характе- ристики тракта из справочников выписывают чувствительность микрофона и громкоговори- теля (в децибелах с произвольным нулевым уровнем) на всех экстремальных точках частот- ных характеристик микрофона и громкоговори- теля На каждой из частот нормируют чувст- вительность путем вычитания уровня чувст- вительности иа частоте 1000 Гц из уровня чувствительности на данной частоте (см. табл. 10.7). Заметим, что при таком нормиро- вании произвольность выбора нулевых уровней нейтрализуется Затем суммируют нормиро- ванные значения чувствительиостей микрофо- на и громкоговорителя для каждой из частот. Для определения фактического индекса тракта QM с следует нанести на частотной ха- рактеристике значения рационального и пре- дельного индексов тракта и индексы нормиро- ванной характеристики тракта (см. рис. 10.8). Затем, смещая последнюю вверх или вниз по ординате, найти такое ее положение, при ко- тором она оказывается возможно выше, но не выше предельной и по возможности близкой к рациональной. Смещение кривой равно ис- комому значению фактического индекса трак- та на частоте 1000 Гц Прибавляя это значение к значениям нормированной характеристики тракта на других частотах, получают частот- ную характеристику фактического индекса тракта. Можно обойтись и без построения частот- ных характеристик индексов тракта. В этом случае для систем звукоусиления следует ин- терполировать предельный индекс тракта для всех частот, для которых определена нормиро- ванная характеристика тракта. Затем для каж- дой из частот из значения предельного индек- са тракта надо вычесть нормированную чувст- вительность тракта. Минимальная из получен- ных разностей суммируется со всеми значени- ями нормированной характеристики. Полу- ченная характеристика и является частотной характеристикой фактического индекса трак- та (см. табл. 10.7). Для систем озвучения расчет частотной характеристики фактического индекса трак- та выполняется следующим образом. Подбира- ют такое значение индекса тракта иа частоте 1000 Гц, учет которого на всех других частотах приведет к тому, что они будут или выше ра- ционального индекса на этих частотах, или немного ниже. Конечно, если иа какой-либо частоте будет резкий выброс нормированной чувствительности тракта, то иет смысла доби- ваться равенства ее с рациональным индексом Сравнивая полученную характеристику с рациональной, можно сказать, насколько близки к максимально возможной (в заданных условиях) разборчивости речи В тех диапазо- нах частот, в пределах которых фактический индекс выше рационального, коэффициент раз- борчивости будет максимально возможным независимо от превышения. А в диапазонах, в пределах которых фактический индекс ниже рационального, коэффициент разборчивости тем меньше, чем больше разность между ними. Рис. 10.8. К определению фактического индек- са тракта: ] — чувствительность микрофона; 2— чувствитель- ность громкоговорителя; 3 — суммарная чувстви- тельность; 4 — предельный нндекстрак; 5 — рацио- нальный индекс. 6 — фактический индекс 279
После этого сравнения можно сделать за- ключение о необходимой коррекции частотной характеристики тракта, если между фак- тическими и рациональными индексами бу- дет большая разница. Корректировать частот- ную характеристику тракта можно нли заме- ной микрофонов и громкоговорителей на дру- гие типы с более подходящей частотной харак- теристикой, или включением корректирующих устройств. Если окажется, что требуется сложная коррекция частотных характеристик фактического индекса тракта или получилось слишком большое расхождение между пре- дельной и рациональной частотными характе- ристиками, то можно сделать заключение и о необходимости изменения предельных и раци- ональных частотных характеристик Эти ха- рактеристики можно изменять, варьируя на- правленностью громкоговорителя. Соответствующие решения зависят от ря- да факторов, и в каждом конкретном случае они могут быть различны. 10.7. РАСЧЕТ РАЗБОРЧИВОСТИ РЕЧИ Приведем последовательность операций и формулы расчета. Для каждой из полос рав- ной разборчивости (см. табл. 10.4): 1. Вычисляют спектральные уровни речи у микрофона ^р.м = $р + 20 1g (1 /гы) • где гм — расстояние ото рта до микрофона; Вр см. в табл. 10.4. 2. По заданному спектру и уровню акусти- ческих шумов находят его спектральные уровни Ва (см. табл. 10.4 нли рис. 8.1). Если время реверберации выходит за пре- делы 0,9 ... 1,1 с, то вносят поправку в спект- ральные уровни шумов АВа = 10 1g Т. 3. Интерполируют поправку ЛВП, вычис- ленную ранее для октавных частот на средние частоты полос равной разборчивости. 4*. Интерполируют фактический индекс тракта <2М.С. 5*. Все эти данные заносят в сводную таб- лицу. 6. Вычисляют спектральные уровни речи у слушателя Sp.c= $р.м + Фм.с- * Прн расчете по октавным частотам этн операции выполнять не требуется. 7. Вычисляют спектральные уровни помех Вп = Вр-с + АВП — Для помещений АЕ = 21 дБ, для открытых пространств АЕ=0. 8. Суммируют спектральные уровни помех со спектральными уровнями акустических шу- мов (по интенсивности) Вш = Ва( + ) Вп= 10 !g [ 10°’1В»+ 10°’ 1Вп1- Это суммирование может выполняться по вы- ражению Вш = В щах ( 4“ ) Bmln ~ ^шах 4- АВ, где АВ берется из табл. 10.8. 9. Вычитают из спектрального уровня речи спектральный уровень суммарных помех и шу- мов и получают средний уровень ощущения формант Е~ Вр с— Вш. 10. По найденному уровню ощущения Е вычисляют коэффициент разборчивости для 0 < Е < 18 дБ; w = (В 4~ 6)/30; для — 12 < Е < 0: (Е + 6)/30 4- 4- 0,06 (—Е76)Л, А = 1,807; для 18 < Е < 36: w = (Е 4- 6)/30—0,06Х 4- (Е — 18)/6)Л; для Е < — 12; w = 0, для Е > 36: w = 1 или находят его точное значение по табл. 10.5. Все вычисленные значения заносят в свод- ную таблицу. 11. Полученные значения коэффициента разборчивости суммируют и определяют фор- мантную разборчивость 20 Л = 0,05 У Wk- k=i По формантной разборчивости определяют сло- говую S и словесную W разборчивости (табл. 10.5) и понятность речи (см. табл. 10.2). Если спектры речи и шумов изменяются по частоте не очень резко, то нет смысла вычис- лять их для всех полос равной разборчивости, а достаточно рассчитать их на октавных часто- тах, полагая, что в их пределах коэффициент разборчивости будет практически одинаковым. С учетом этого формантную разборчивость можно определять по формуле с весовыми ко- эффициентами А = 0,05 [o»i4*3 ша4-4ша4~6 4~5 4~ 4-ш«], где o/j — wt — коэффициенты разборчи- вости на средних октавных частотах (250, 500; 1000; 2000; 400; 6000). Таблица 10.8. Поправки для расчета суммарного уровня Вш по разности уровней Вп и В» $тах— ^т!п» дБ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 15 АВ, дБ 3,0 2,5 2,1 1,8 1,5 1.2 1,0 0,8 0.6 0,5 0,4 0,3 0,2 280
Расчет разборчивости речи для систем, име- ющих ограничитель уровня с постоянными времени 1 мс и 0,3 с, выполняют аналогично обычному расчету разборчивости речи с той лишь разницей, что спектральные уровни по- мех Вп определяют с учетом ограничения 2-огр (табл. 10.9) 2?п.огр= 2?р.м + См.с — 2-огр + Л23п, Таблица 10.9. Параметры речевого сигнала при ограничении уровня Ограничение £огр, дБ Подавление слабых звуков ДДогр, дБ Пик-фактор ограниченного сигнала Погр, дБ 0 0 12 3 0,5 9,5 6 1 7,6 10 2 5,6 16 4 3,2 20 6 2 а уровень ощущения Е определяют, как и для неограниченного речевого сигнала, с учетом поправок на подавление его слабых уровней Е= бр.м + См.с— Aforp где Вш = Вп огр ( "Г ) ^а, Л2?огр = = AZ-огр (В/24), AZ-orp—из табл. 10.9). В частном случае озвучения удаленных зон с применением амплитудного ограничения сле- дует учитывать, что помехи от речевого сигна- ла будут только в виде самомаскировкн речи (см. § 2.4), а так как она на 24 дБ ни- же уровня речи, то расчет ведется на основе разности уровней речи и акустических шумов, т. е. в этом случае Вш = Ва и уровень ощу- щения формант Д = Яр.м-1' Qm.c—Ва — АВогр- При этом коэффициент разборчивости опреде- ляют с учетом следующих обстоятельств: 1) если Вр.м -j- QM.C - Z.or Z7or Ba, to w = 0 и 2) —коэффициент разборчи- вости необходимо уменьшить из-за подавления слабых звуков речи на величину, соответствую- щую уменьшению уровня ощущения на А£’ог= = £'AZ.or/24. 10.8. РАСЧЕТ ОБЩЕГО УРОВНЯ ЗВУКОВОГО ПОЛЯ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ РЕЧИ И ВЫБОР АППАРАТУРЫ ЗВУКОУСИЛЕНИЯ Расчет можно выполнять или по актавным частотам, или по полосам равной разборчиво- сти. Последний способ точнее, но иногда не- обходимо определить этот уровень приближен- но по октавным частотам. Порядок расчета одинаков как для полос равной разборчиво- сти, так и для октавных частот. Для каждой из расчетных полос находят уровень интенсив- ности речи у слушателя (в удаленной точке) Z-p.c = Z.p + Qm.c—20 lg rM, где L'p — уровень интенсивности речи в соот- ветствующей полосе на расстоянии 1 м от гово- рящего (см. табл. 10.10); QM C —фактический индекс тракта на средней частоте полосы; гм — расстояние микрофона от говорящего. По найденному уровню интенсивности опре- деляют относительную интенсивность (по от- ношению к условному значению /0) для каж- дой полосы z/z0=io0-IZ'pc- Другой способ определения уровня пря- мого звука состоит в том, что для каждой поло- сы определяют относительную плотность ин- тенсивности речи у слушателя и умножают ее на ширину полосы. В результате получают ин- тенсивность в этой полосе частот ///„= (J/I,,) А/пол = IO®'1ВР-С А/пол Таблица 10.10. Уровни интенсивности речевого сигнала а) в полосах равной разборчивости № Средняя частота, Гц Уровни, ДБ । № Средняя частота, Гц Уровни, ДБ 1 265 66,6 11 1910 49,4 2 400 65,3 12 2140 48,8 3 535 63,0 13 2395 48,3 4 680 60,6 14 2685 47,7 5 825 58,3 15 3020 46,6 6 980 56,0 16 3415 46,3 7 1145 54,3 17 3890 46,2 8 1320 52,6 18 4370 46,1 9 1505 51,3 19 5215 46,3 10 1700 50,0 20 6320 46,6 б) в октавных полосах № Средняя частота» Гц Уровни, ДБ № Средняя частота, Гц Уровни, ДБ 1 125 64,3 5 2000 57,0 2 250 67,9 6 4000 53,0 3 500 66,9 7 6000 48,5 4 1000 61,5 Примечание. Суммарный уровень равен 71 дБ. 281
2. После этого, суммируя интенсивности в полосах, получают общую интенсивность пря- мого звука (в величинах /0) / пп//п — , (/ft//o)> (*> откуда находят его уровень /-пр = Ю 1g (/пр//о) • Он и является средним уровнем прямого зву- ка у слушателя в удаленной точке пространст- ва при речевых программах. В случае ограничения уровней расчет сред- него уровня речи отличается от предыдущего только тем, что уровни /.р.с берутся меньше на величину ограничения £огр (табл. 10.9),т.е. ///о=1О0,1 (/-Р.с-Логр). Определяют пиковый уровень звукового поля. Для высококачественной передачи речи без применения компрессоров и ограничите- лей пиковый уровень должен быть на 12 ... 15 дБ выше среднего, так как пнк-фактор речи равен 12 дБ. Кроме того, мы ориентиро- вались на уровень 71 дБ, развиваемый орато- ром на расстоянии 1 м, а следует предусмот- реть неискаженную передачу с уровнем 74 дБ, т. е. /-пик — /-пр 4" (12 ... 15). Для расчета пиковых уровней прямого зву- ка в случае ограничения уровней следует поль- зоваться формулой Бппк = /-пр Погр, где Погр — пнк-фактор ограниченного речевого сигнала (см. табл. 10.9). Прн сравнении полученного значения /-пик с вычисленным ранее значением мини- мального уровня звука 7-min окончательно определяют пригодность выбранных громко- говорителей по мощности и решают, не следует ли заменить их на более нлн менее мощные, в зависимости от разницы между вычислен- ным максимальным уровнем и определенным ранее. Если она не превосходит 1...2 дБ, то нет смысла в такой замене. А если больше, то может потребоваться изменение распределе- ния громкоговорителей и даже замена системы. После окончательного выбора громкогово- рителей и расчета разборчивости определя- ют суммарную номинальную мощность гром- коговорителей и по ней выбирают подхо- дящий мощный усилитель. В расчете на вклю- чение дополнительных громкоговорителей ре- комендуется выбирать мощный усилитель с за- пасом мощности. 10.9. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ИНДЕКСОВ ТРАКТА, РАЗБОРЧИВОСТИ РЕЧИ И ОБЩЕГО УРОВНЯ ПЕРЕДАЧИ 1. Задана звукофнкацня большой площа- ди 100х 120 м. Озвучение ее происходит цепоч- кой громкоговорителей, расположенных по одной длинной стороне (20 шт. 400 КЗ). Микрофоны находятся на трибуне и частично заэкранированы от прямого звука строением, на котором находится трибуна. Был рассчитан уровень звукового поля, создаваемый всеми громкоговорителями в точке микрофона на всех октавных частотах, и рассчитана направ- ленность микрофонов (составленных нз 6 микрофонов МДО — 1) в сторону громкогово- рителей, и на этой основе был найден предель- ный индекс тракта (см. § 8.8). Частота. Гц 250 500 1000 2000 4000 6000 <?пр. дБ . . —0.7 5.3 11,4 17,4 23.4 27.9 Рациональный индекс тракта (см. § 10.6) определен при условии, что акустические шу- мы речевого типа с общим уровнем 71 дБ (в табл. 10.4 шумы первого типа). Общий уро- вень помех от отраженных сигналов и от взаим- ного действия мешающих громкоговорителей на 7 дБ ниже речевого сигнала (помехи скла- дываются нз взаимных на 11,2 дБ ниже рече- вого, 12,4 дБ — от отраженных волн и 11,7 дБ от второй вспомогательной цепочки). Расчет Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000 <?рац. дБ . 0.5 0.5 0.5 0 1,0 —1.5 фактического индекса тракта приведен в табл. 10.11. Таблица 10.11. Определение фактического индекса тракта QM с Параметр Q. дБ для частот, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000 Чувствительность: микрофона МДО-1 колонки 100КЗ-1 суммарная Фактический индекс тракта1 —2 —7 —9 —8,5 1 — 1 0 0,5 0 0 0 0,5 —1 1 0 0,5 3 0 3 3,5 1 —2 —1 —0,5 1 Г1'-лучен путей прибавки к суммарной 0.5 дБ. 282
Таблица 10.12. Данные расчета разборчивости речи № октавы Средняя частота, Гц вр.с- дБ «п- дБ ва. дБ вш- дБ £. дБ w, оти. ед. 1 250 47,5 40,5 39,0 42,8 4,7 0,36 2 500 52,5 45,5 35,0 45,8 6,7 0,42 3 1000 44,0 37,0 26,5 37,3 6,7 0,42 4 2000 36,5 29,5 18,5 29,8 6,7 0,42 5 4000 32,5 25,5 12,5 25,6 6,9 0,43 6 6000 25,5 18,0 7,0 18,8 6,7 0,42 На рис. 10.9 приведены частотные харак- теристики индексов тракта. Из него внднм, что даже на частоте 500 Гц фактический индекс тракта на 4,8 дБ ниже предельного, т. е. есть запас на устойчивость, равный 4,8 дБ. Сравни- вая рациональный индекс с фактическим, вн- днм, что есть между ннмн различие только на низких частотах (250 Гц), а на остальных онн близки друг к другу. Это свидетельствует о близости к максимально возможной в этих ус- ловиях разборчивости речи. Исходные данные для расчета разборчиво- сти речи: спектральные уровни речи у слуша- теля, спектральные уровни помех (на 7 дБ ниже речевых) н спектральные уровни акусти- ческих шумов (см. табл. 10.4). Суммируем спектральные уровни шумов и помех по интен- сивности: Вп(+)Ва = Вш. Вычитая послед- ние из спектральных уровней речи, получа- ем уровень ощущения Е = Вр.с — Вш. По нему находим коэффициенты разборчивости w (см. табл. 10.5). Все расчетные данные све- дены в табл. 10.12. Формантную разборчивость определяем по формуле А = 0,05 (wt + Зш2 + 4щ3 + 6ш4+ +5ш6 + = 0,05(0,3 +1,26+ 1,68+2,52+ + 2,15+0,42) = 0,42, что соответствует (см. табл. 10.6) слоговой разборчивости S = 67,5 %, т е. несколько выше средней хорошей оценки (56 ... 80 %). Для получения слоговой разборчивости не менее 80 % (граница хорошей н отличной понятности) необходимо снизить уровень по- мех Это можно сделать путем применения более направленных громкоговорителей (на- пример, раздвинуть звуковые колонки на рас- стояние не менее 1,25 м), что повысит направ- ленность— эксцентриситет повысится до 0,985, т. е. будет равен эксцентриситету в вер- тикальной плоскости и уменьшатся взаимные помехи на 5 дБ; повысить коэффициент по- глощения стены здания до 0,95 путем приме- нения штукатурки АГШ—0,95; повысить на- правленность звуковых колонок 2КЗ путем сдваивания их по вертикали, что повысит эксцентриситет с 0,92 до (3^-0,922)1,,2/2 = 0,98. Все это снизит уровень помех с—7 дБ до—10 дБ, и формантная разборчивость повысится до 0,52 (S = 82 %). В данном расчете индекс тракта на 5 дБ по- нижен по отношению к рациональному. Это означает возможность повышения акустиче- ских шумов с 71 до 76 дБ без существенного снижения разборчивости речи. Постоянство коэффициента разборчивости в диапазоне свыше 250 Гц показывает хорошее качество звучания речи (лишь немного снижа- ется разборчивость низких звуков речи с фор- мантами ниже 250 Гц). 2. Задана звукофнкацня аппаратного зала. Уровень шумов в зале равен 77 дБ производ- ственного типа (табл. 10.4, тип 4). Значения акустического отношения в децибелах приведе- ны в табл. 10.13. Для заданных уровней акустических шумов вещательные микрофоны непригодны, поэтому возьмем микрофон типа ДЭМШ. Его индекс направленности qM запишем в табл. 10.13 За- метим, что его шумостойкость очень велнка на низких частотах, а на высоких приближа- ется к шумостойкости вешательных микрофо- нов. Но на высоких частотах спектральный уровень акустических шумов обычно значи- тельно ниже, чем на низких, н поэтому такой микрофон удовлетворяет высоким требовани- ям по шумозащнщенности тракта. Вычислим предельный индекс тракта по диффузному полю, так как для распределен- ной системы предельный индекс тракта по пря- мому звуку очень мал. Подставляя значения индекса направленности для микрофона ДЭМШ н акустического отношения, находим искомые индексы тракта. Для частоты 500 Гц: QKp= Рис. 10 9. Частотные характеристики индексов тракта для звукофнкацнн площади: / — предельного; 2 — рационального и 3 — фактиче- ского 283
Таблица 10.13. Данные расчета предельного и рационального индексов тракта « ё «м ^кр — ALy д'г д/п Вр.м ва ®рац « дБ 250 7,9 36 16,1 2,8 1,0 6,1 77,5 50,0 6,6 500 7,9 30 10,1 2,8 1,8 6,9 73,5 46,0 7,4 1000 7,5 24 4,5 3,5 2,7 6,7 65,0 40,5 4,2 2000 8,7 18 —2,7 1,7 4,2 11,2 57,5 35,5 6,2 4000 8,2 12 —8,2 2,3 5,4 11,3 50,5 31,0 3,8 6000 8,4 8 — 12,4 2,1 5,9 12,2 47,5 29,0 3,7 = ом - Д£Рм — 12= 30—7,9—12=10,1 дБ. Рассчитываем его аналогично для других ок- тавных частот н величины индексы тракта за- писываем в табл. 10.13. Вычисляем помехи от Рис. 10.10. Частотные характеристики индек- сов тракта: 1 — суммарного, нормированного; 2 — фактического; 3 — предельного; 4 — рационального реверберации Д£т и суммируем их с помеха- ми от диффузного звука ДБЙМ и от отражения от головы ДДГ (табл. 10.4). Суммарные помехи записываем в ту же таблицу. В эту же табли- цу записываем спектральные уровни речи, увеличенные на 32 дБ вследствие приближе- ния микрофона ко рту с 1 м до 2,5 см, и спект- ральные уровни акустических шумов нз табл. 10.4. По этим данным находим рациональный индекс тракта (см. § 10.6) и записываем его данные в ту же таблицу. На самых высоких частотах они приближаются к предельным. Рассчитаем фактический индекс тракта. Составим таблицу чувствительностей микрофо- на и громкоговорителя, нормированных для чувствительности на частоте 1000 Гц, и сумму этих чувствительностей запишем в табл. 10.14. В эту же таблицу запишем предельный и ра- циональный индексы тракта. Смещая нормиро- ванную характеристику тракта на —14,0 дБ, получаем фактический индекс тракта (табл. 10.14 и рис. 10.10), ни водной из точек не превышающий предельный. Фактический индекс тракта ниже рационального. Это озна- чает, что разборчивость получится ниже мак- симально возможной в условиях заданных акустических шумов. Расчет разборчивости речи. Проведем рас- чет по сокращенной методике. Из табл. 10.13 перепишем значения спектральных уровней речи у микрофона Вр.м, спектральных уровней акустических шумов Sa, суммарной поправки ДДП и фактического индекса тракта QM.C в табл. 10.15. Затем вычислим спектральные уровни у слушателя 5р.с и спектральные уров- ни помех Вп. Для первой октавы Sp.c = 77,5—24= = 53,5 дБ, Вп=53,5 + 6,1 = 38,6 дБ (см. табл. 10.8). Просуммируем уровни помех и акустичес- ких шумов по интенсивности (см. табл. 10.2). Для первой октавы. Вш = 50,0 + f (50—38,6) = 50+0,3 дБ. Найдем уровень формант Е, а по нему коэффи- Таблица 10.14. Расчет фактического индекса тракта Частота, Гц Чувствитель- ность. дБ Суммарная чувствитель ность, дБ Индексы тракта, дБ Частота, Гц Чувствитель- ность, дБ С '-‘J mmupna/1 чувствитель- ность, дБ Индексы гракта, дБ дэмш 1ГД-6 ^нр ®рац ^М.С дэмш 1ГД-6 ^кр ®рац ®м.с 250 — 10 0 — 10 16,1 -6,6 —24 2000 7 —3 4 —2,5 —6.2 — 10 500 —7 2 —5 10,1 —7,4 — 19 4000 9 —3 6 —8,2 —3.8 —8 1000 0 0 0 4,5 —4,2 — 14 6000 —7 —6 -13 —12,4 —3,7 —27 284
Таблица 10.15. Расчет разборчивости речи и уровня прямого звука ^р.М ва д'л ^М.С вр.с вп вш Е — 1 О3, /о Гц""1 А/окт л дБ W Гц /о X 10* 250 77,5 50,0 6,1 24,0 53,5 38,6 50,3 3,2 0,31 224 175 392 500 73,5 46,0 6,9 19,0 54,5 40,4 47,1 7,4 0,45 282 350 987 1000 65,0 40,5 6,7 14,0 51,0 36,7 42,1 8,9 0,50 126 700 882 2000 57,5 35,5 11,2 10,0 47,5 37,7 39,7 7,8 0,46 56 1400 784 4000 50,5 31,0 11,3 8,0 42,5 32,8 35,0 7,5 0,45 18 2800 504 6000 47,5 29,0 12,2 27,0 20,5 11,7 29.1 —8,6 0,03 — 2000 — цнент разборчивости w (см. табл. 10.5). Для первой октавы Et = 53,5 — 50,3= 3,2 дБ, u»i = 0,31. Все вычисленные данные для дру- гих октав заносим в табл. 10.15. Подставляя полученные значения коэффициента разборчи- вости, найдем формантную разборчивость. Она равна 0,44, это соответствует слоговой раз- борчивости 74 %, словесная равна 91 %, т. е. обеспечивается почти отличная понятность ре- чи (см. табл. 10.2). Заметим, что прн исполь- зовании звуковых колонок 2КЗ-1 можно по- лучить несколько более высокую разборчи- вость,так как уменьшается диффузная состав- ляющая вследствие большей направленности громкоговорителя. При этом коэффициент разборчивости мало зависит от частоты, т. е. все частоты (кроме самых высоких) передают- ся почти одинаково. Расчет уровня прямого звука и выбор ап- паратуры. По спектральным уровням речи у слушателя Вр.с (см. табл. 10.13) определим относительные плотности интенсивности [1[в и запишем их в табл. 10.15. Туда же переписы- ваем ширину октавных полос Л/О1(Т из табл. 10.4. Затем, умножая плотность интенсивности на соответствующую ширину полосы, получаем интенсивность в этой октавной полосе А///о. Эти значения запишем в табл. 10.15 и просум- мируем их для всех полос. Получим общую интенсивность /пр//0, она равна 3,55-10* Это соответствует 85,5 дБ. Пиковые уровни равны 97,5 дБ. Выбранные громкоговорители не обеспечат такие уровни, они создают уровни только 91,2 дБ. Следовательно, тракт будет ограничивать речевой сигнал по амплитуде на 6.3 дБ, но такое ограничение все же допустимо для дис- петчерской связи. Можно применить ограничитель уровня. Как показывают расчеты, прн предельном ог- раничении даже громкоговорители 1ГД-6 дают запас более чем на 3 дБ. Для нормаль" ной работы громкоговорителей 1ГД-6 необхо- дим усилитель мощностью 20-1 20 Вт. Но, учитывая перегрузки, целесообразно выбрать ее равной 40 ... 50 Вт. 10.10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗБОРЧИВОСТИ РЕЧИ ДЛЯ ТРАКТОВ РАДИОТЕЛЕФОННОЙ связи Для случая радиотелефонной связи спект- ральный уровень речи у слушателя определя- ется, как и в предыдущем случае, но индекс тракта равен разности уровней, развиваемых телефоном на искусственном ухе, и входным уровнем у микрофона в каждой из полос рав- ной разборчивости QM с = бвык — SBx- Уровень помех на выходе тракта определя- ется по сумме интенсивностей .ioiJio0'^ мо°-,йач-|О°-1В"1 - BaS( I ) «в, ( 1 ) В„, где SaI Ва — ум — спектральный уровень акустических шумов в месте передачи Ва, приведенный к выходу тракта; ум — шумо- стойкость микрофона, дБ; Ва2= Ва —уа— спектральный уровень акустических шумов в месте приема Ва, приведенный к выходу тракта; у3 — шумозащищенность телефонных заглушек, дБ; Вп — уровень электрических помех, приведенный к выходу тракта Вп== В3 ~ Qnp- Qnp — индекс приемной НЧ части тракта (коэффициент усиления в децибе- лах); Ва — спектральный уровень электриче- ских помех на входе приемника. Аналогично предыдущему случаю находят уровень ощущения, коэффициент разборчи- вости и формантную разборчивость. Акустические шумы в месте передачи, при- веденные к выходу тракта, как правило, зна- чительно меньше электрических помех там же, поэтому обычно имеем две составляющие по- мех и шумов. Усиление приемника рациональ- но увеличивать до тех пор, пока уровень электрических помех не будет удовлетворять условию В„ — Вя2 + 6, откуда индекс уси- ления приемной части тракта рационально 285
ймёТь следующим: Qnp = Йа2т 6~ Йэ= = Ва - Тз + 6 - Вэ. Его частотная зависимость определяется формой спектра акустических шумов в месте приема н частотной зависимостью шумозаглу- шения заглушек, так как спектр электрических помех практически равномерен. Для получения одинаковой глубины моду- ляции для всех звуков речи (что обеспечива- ет наибольшую разборчивость речи, так как дает одинаковое превышение спектральных уровней речи над спектральными уровнями электрических помех) необходимо, чтобы низ- кочастотный тракт от входа микрофона до входа модулятора передатчика имел частот- ную характеристику с тенденцией подъема к высоким частотам около бдБ/окт, т.е. должно быть выполнено условие Вргм + Qnep = = const. Если положить, что ВЧ тракт не вно- сит значительной неравномерности в частот- ную характеристику тракта, то суммарная частотная характеристика тракта определится как Qmc = ва — Вр м — у3 + С, где С — не- которая постоянная величина. 10.11. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ РАЗБОРЧИВОСТИ РЕЧИ Одним из методов повышения разборчиво- сти речи является снижение уровней шумов и помех. Но в большинстве случаев они быва- ют заданными и не зависят от нас, хотя иногда можно снизить помехи от диффузного звука (путем уменьшения акустического отношения), от шумов, проникающих под заглушки, и т. п. Остается возможность манипулирования уров- нями речи у слушателя по прямому звуку. Это возможно следующим образом: повышени- ем уровня голоса говорящего, приближением микрофона ко рту и уменьшением неравномер- ности озвучения (путем приближения мини- мального уровня прямого звука к максималь- ному), увеличением индекса тракта. Послед- ний способ возможен только прн условии, что в системах звукоусиления не достигнут пре- дельный индекс тракта, а в других системах— рациональный. И наконец, есть еще способ повышения разборчивости речи — способ та- кой компрессии динамического диапазона рече- вого сигнала, прн которой происходит повы- шение уровней слабых звуков речи при сохра- нении уровней громких звуков речи. Для си- стем с обратной акустической связью этот ме- тод непригоден, так как возникает самовоз- буждение системы. А в остальных системах слабые уровни речи повышаются на величину компрессии динамического диапазона. Из компрессоров наиболее применимы ог- раничители уровня, действие которых сводит- ся к выравниванию пиковых уровней громких звуков, прн этом не изменяются соотношения между уровнями слабых звуков, но происходит небольшое подавление их (см. табл. !0.9). Амплитудное ограничение. Рассмотрим предельный случай компрессии речи — пре- дельное амплитудное ограничение, прн кото- ром речевой сигнал превращается в последо- вательность прямоугольных импульсов посто- янной амплитуды, но с меняющимися интер- валами между нулевыми переходами. При мо- дуляции сигнала передатчика таким речевым сигналом получается телеграфный режим ра- боты. А это означает, что все звуки речи бу- дут иметь одинаковый и притом максимальный уровень на приеме. Если при передаче неогра- ниченной речи слабые звуки маскировались помехами, то при таком способе передачи они окажутся выше уровней помех и разборчи- вость будет выше, чем при приеме неограничен- ной речи. Правда, качество звучания н раз- борчивость речи в отсутствие помех будут ни- же, чем для неограниченной речи, но остается еще в допустимых пределах. Оказывается, что предельно ограниченный речевой сигнал для слуха будет иметь распределение по частоте н по уровням, не очень сильно отличающееся от распределений неограниченной речи. На рис. 10.6 было приведено среднее распределе- ние уровней для предельного ограничения Рис. 10.11 Спектральные огибающие звуков речи ю ограничения (сплошные кривые) и после (штриховые): а - звука э. б — шука м 286
речи (кривая 2) н без него (кривая /), крутиз- на кривой изменяется только вдвое, а на рнс. 10.11 приведены спектральные огибающие звуков речи также для обоих условий (получа- ются несколько сглаженные форманты). Это объясняется тем, что ухо имеет «комплект» уз- кополосных фильтров, и когда в одном или нескольких фильтрах уровень в данный мо- мент повышается, то в других он уменьшается, и наоборот, в результате чего в каждом нз ннх процесс происходит с переменным уровнем. В случае непредельного ограничения нли компресснн результат получается промежу- точный между предельным ограничением и передачей неограниченной некомпрессиро- ванной речи. 10.12. ВОКОДЕРНАЯ СВЯЗЬ Вокодер представляет собой устройство, в передающей части которого нз речевого сиг- нала выделяются параметры, определяющие информативность речи. К этим параметрам от- носятся спектральные огибающие звуков ре- чи н параметры основного тона речи, т. е. при- знаки звуков речи медленно изменяющиеся во времени Параметр основного тона управляет частотой генератора основного тона, находяще- гося в приемной части вокодера. Напряжение от этого генератора, создающего импульсы, сходные с импульсами гортани, подается на сложный фильтр, имитирующий акустическую систему речевого тракта для звонких звуков. Прн синтезе глухих звуков речи генератор создает шумовое напряжение, подаваемое на фильтры, имитирующие систему для глухих звуков речи. Параметрами этих фильтров и уровнем звуков речи управляют параметры, выделенные на передающем конце, в результа- те чего восстанавливается спектральная оги- бающая речевого сигнала Качество н разбор- чивость восстановленного сигнала получают- ся достаточно высокими. В завнснмостн от типа выделяемых пара- метров речевого сигнала есть вокодеры полос- ные, гармонические, формантные и фонемные. В полосных выделяется комплекс ординат спектра в узких полосках, в гармонических— коэффициенты Фурье от разложения спект- ральной огибающей в сумму гармоник, в фор- мантных — частоты и амплитуды формант, в фонемных — произнесенный звук. Так как эти параметры изменяются во времени со ско- ростью произнесения звуков речи (8—10 зву- ков в секунду), то частотный диапазон каждо- го параметра не превышает 20 .. 25 Гц. Кроме того, в каждом нз перечисленных типов вокоде- ров выделяется параметр (частота) основного тона голоса. В полосных вокодерах берут 12 . 18 по- лос. Динамический диапазон каждого парамет- ра не превышает 25 дБ, поэтому при переводе параметров в импульсную форму достаточен четырехзначный код (16 значений по 1,5 дБ), а во времени достаточно 50 отсчетов в секунду. Необходимая пропускная способность для спектральных параметров требуется 18-4-50= = 3600 нмп/с и на передачу основного тона еще 1200 нмп/с, а всего 4800 нмп/с. В настоящее время уже достигнуто высокое значение раз- борчивости речи и качества ее прн скорости в 2400 нмп/с. В гармоническом вокодере тре- буемая скорость передачи несколько меньшая. В наиболее распространенном типе фор- мантного вокодера выделяются четыре фор- мантных частоты и четыре формантных уров- ня. Динамический диапазон этих парамет- ров — не более 20 дБ, поэтому достаточны трехзначный код (8 значений по 2,5 дБ) и 40 от- счетов в секунду. Всего получается 8-3-40= = 960, и 240 нмп/с отводится на передачу мелодии основного тона. Требуемая скорость передачи параметров получается равной 1200 нмп/с. Для фонемного вокодера требуемая ско- рость передачи пока еще не ниже 300 имп/с, прн этом теряется информация об индивиду- альности говорящего. Применение вокодеров дает повышение раз- борчивости речи в условиях радиопомех, так как сигналы передаются в телеграфном режиме со специальным помехоустойчивым кодирова- нием. Речь, передаваемая с помощью вокодер- ной связи, идет с высоким уровнем и хорошей разборчивостью даже прн наличии сильных помех и замираний. Хорошая помехоустой- чивая радиосвязь получается прн формантном кодировании. Ее применяют на линиях КВ связи. Импульсная форма сигнала дает возмож- ность засекречивания речи аналогично засек- речиванию телеграфной передачи. Такую зако- дированную речь невозможно раскодировать современными методами Кроме того, вокодер- ная связь дает возможность значительного увеличения числа каналов в импульсных сис- темах связи Для обычного речевого сигнала требуется пропускная способность 64 кбит/с, т. е, в 25 раз больше, чем для полосного вокодера и в 50 раз больше, чем для фор- мантного. В будущем, прн разработке фонем- ного вокодера, этн возможности еще более увеличатся. Вокодерную связь в США применяют с 1959 г (в военной авиации для КВ связи). В настоящее время в США выпускают такую аппаратуру для коммерческой телефонной связи. Габаритные размеры н масса подобной аппаратуры уже находятся в приемлемых пределах. Разработаны н выпускаются воко- деры на новых интегральных элементах с циф- ровыми методами анализа н синтеза речевого сигнала Это значительно упрощает производ- ство подобных устройств и удешевляет их 287
РАЗДЕЛ 11 АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ 11.1. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА И ОБОРУДОВАНИЕ Кроме аппаратуры общего применения (то- нальные генераторы, электронные вольтмет- ры, измерители нелинейных искажений, изме- рители уровня, осциллографы, анализаторы гармоник, магнитофоны, измерительные усили- тели и т. д.) прн акустических измерениях ис- пользуют специальную измерительную аппа- ратуру. К ней относятся: тональные генерато- ры с воющим тоном, шумовые генераторы, из- мерители звукового давления, акустический зонд, шумомеры, октавные фильтры, быстро- действующие регистраторы уровня, ревербе- рометры, искусственный рот, измерительный телефон, искусственное ухо, измерительные трубы, спектральные анализаторы, анализато- ры амплитудных распределений, пнстонофо- ны н дополнительные электроды н др. Измерители звукового давления состоят нз измерительного микрофона н соединенного с ннм электронного вольтметра, градуирован- ного в паскалях или децибелах относительно Рнс. 11.1. Акустический зонд: / — трубка; 2 — конденсаторный микрофон; 3 — про- должение трубки 4 — резиновая трубка, наполнен- ная поглотителем шерстяная нить, 5 — выход мик рофон; 6 — подставка Рис. 11 2 Схема реверберометра- 1 — громкоговоритель; 2 — измерительный микрофон; 3 — микрофонный усилитель; 4 — измеритель уров- ня; 5 — реле для включения измерителя уровня; 6 — устройство временной задержки; 7 — пусковое устройство; 8 — реле для выключения громкоговори теля; 9 и 10 — ключи 10-12 Вт/м. Измерители звукового давления имеют несколько постоянных времени: для импульсных звуков, измерений средних зна- чений уровня звуков речи, измерений средне- го длительного значения и т. д. Акустический зонд (рнс. 11.1) отличается от измерителя звукового давления только при- способлением для измерений звукового дав- ления в тех случаях, когда требуется измерить его нлн в небольшом замкнутом объеме, нлн около самой поверхности какого-нибудь тела, когда размеры обычного измерительного мик- рофона недостаточно малы. Зонд имеет тонкую трубку длиной 10 . 50 см, на конце трубки помещен лабиринт с поглощающим материа- лом, чтобы не было отражений звуковых волн от конца трубки (см. рис. 11.1) Сбоку у кон- ца трубки расположен измерительный микро- фон. Шумомеры отличаются от измерителей зву- кового давления только наличием шкал А, В и С для измерения уровня громкости Каждой шкале соответствует своя частотная характе- ристика измерителя. Шкала А соответствует уровню громкости 40 фон, шкала В—70 фон, шкала С—85 фон н выше Кроме того, у шумо- мера может быть и четвертая частотная харак- теристика — равномерная в широком диапазо- не частот. Шумомеры обычно снабжаются по- лосовыми третьоктавнымн нлн октавными фильтрами с компенсацией их затухания. Из- мерители шумомеров имеют две-три постоян- ные времени одна для импульсных шумов, другая — для речи и третья — для измере- ний среднего значения. Быстродействующие регистраторы уровня имеют равномерную шкалу в логарифмиче- ском масштабе Их динамический диапазон стандартизован (25 — 50—75 илн 30—60— 90 дБ). Запись ведется чернилами нлн резцом на красной бумаге, покрытой тальком. Ско- рость записи, диапазон н постоянная времени могут изменяться скачками в некоторых пре- делах. Регистраторы уровня обычно подклю- чаются к измерителям звукового давления, н поэтому на ннх можно автоматически записы- вать частотные характеристики аппаратуры, нх характеристики направленности и др. Реверберометр позволяет измерять время реверберации в помещении Большинство нз ннх имеет устройство временной задержки от нескольких сотых секунды до несколько се- кунд н индикатор уровня, регистрирующий уровень перед выключением источника звука и через определенное время после его выключе- ния (рис 11.2) Искусственный рот представляет собой гомкоговоритель, имеющий выходное отвер- стие, соответствующее среднему отверстию рта человека прн разговоре. При этом объем камеры между диафрагмой громкоговорителя и выходным отверстием равен среднему объе- 288
му рта человека. В качестве громкоговорителя используют его головку (рис. 11.3). Искусст- венный рот предназначен для измерений мик- рофонов ближнего действия (например, ДЭМШ, микрофон для телефонной связи н т. д.). Искусственное ухо — устройство, состоя- щее нз небольшой камеры, на дне которой на- ходится измерительный конденсаторный мик- рофон с мембраной на уровне дна камеры (рнс. 11.4). Объем камеры 6 или 2 см3 в зави- симости от того, какой тип телефона должен испытываться обычный нлн втулочный (встав- ляемый в ушную раковину). Ко входному от- верстию камеры прижимают испытуемый те- лефон. Измерительные телефоны обычно исполь- зуют илн для измерений порога слышимости, нлн для градуировки микрофонов по давле- нию в трубе. Для абсолютной градуировки микрофонов по давлению часто пользуются ме- тодом взаимности. Наиболее легко реализовать этот метод с помощью труб и обратимых преоб- разователей. Поэтому лаборатории часто обо- рудуют такими устройствами резонансного нлн антирезонансного типа. Длина труб опре- деляется максимальной длиной волны, необ- ходимой для градуировки микрофона, диаметр труб минимальной длиной волны. Кроме того, акустические лаборатории оборудуют трубами для измерения коэффициентов звукопоглоще- ния материалов. Эти трубы обычно имеют большие размеры в длину (до нескольких мет- ров) и диаметр около 10 см (если предельная частота измерении равна 3500 Гц) Трубы обо- рудуют измерительным микрофоном с милли- вольтметром. Микрофон можно свободно пере- мещать подлине трубы (рнс. 11.5). Поглоща- ющим материалом закрывают одно отверстие трубы, а в другом — помещают громкогово- ритель. Для анализа речи, музыки и шумов часто используют спектральные анализаторы с па- раллельным нли последовательным анализом. В этих случаях в анализатор входит комплект полосовых фильтров (чаще всего третьоктав- ных) с переключением их автоматически или вручную. В спектральный акустический ана- лизатор входит измеритель звукового давле- ния с фильтрами, включенными между микро- фонным усилителем и собственно измерите- лем При последовательном анализе берут один или два полосовых фильтра: широкий с поло- сой 300 Гц н узкий с полосой 50 Гц. Исследуе- мый сигнал обычно смещен по спектру в об- ласть около 20 40 кГц и во время измерений дополнительно смещается на ширину исследу- емого диапазона сигнала. Прн этом и происхо- дит последовательный анализ спектра сигнала. Анализатор амплитудных распределений уровня имеет комплект пороговых устройств с разными порогами. Счетчики, имеющиеся у каждого устройства, подсчитывают длитель- ность нахождения уровня сигнала выше поро- га этого устройства. Интервалы между порога- ми выбирают соответственно динамическому Рнс. 11.3. Разрез искусственного рта: 7 — корпус рта; 2 — объем рта; 3 — диафрагма громкоговорителя; 4 — корпус головки; 5 — клеммы для подключения громкоговорителя Рис. 11.4. Разрез искусственного уха: / — объем уха; 2— гибкие прокладки; 3 — место для крепления микрофона Рнс. 11.5 Труба для измерения коэффициен- та поглощения: I громкоговоритель; 2 — труба; 3 — блок для пе редвиження микрофона, 4 — микрофон; 5 — измери- тель звукового давления; 6 — распорки микрофона. 7 — жесткая стенка; 8 — поглощающий материал Ю Зак. 1688 289
диапазону исследуемого сигнала с тем, чтобы охватить весь динамический диапазон сигнала и получить требуемую точность анализа. Для абсолютной градуировки конденсатор- ных микрофонов используют пистонофон. Ои представляет собой поршень, приводимый в движение головкой громкоговорителя и соз- дающий в замкнутом объеме переменное дав- ление. Одна из сторон этого объема является диафрагмой конденсаторного микрофона. Амп- литуду колебаний поршня измеряют оптиче- ским микрометром. Боковые стенки, заключа- ющие объем, берутся массивными. Для тех же целей используют дополнитель- ный электрод. Его устанавливают параллель- но мембране конденсаторного микрофона на небольшом расстоянии от нее. Между электро дом и мембраной подаются поляризующее и переменное напряжения. Зная расстояние между электродом и мембраной, а также на- пряжение, можно вычислить чувствитель- ность микрофона (см. §5.1). Дополнитель- ный электрод делают перфорированным, чтобы не создавать дополнительной упругости для мембраны. Наконец, следует сказать о комплекте универсальной измерительной акустической аппаратуры В нее входят почти все перечис- ленные приборы с некоторыми вспомогатель- ными приспособлениями. Этот комплект ап- паратуры позволяет снимать все виды характе- ристик электроакустической аппаратуры (ча- стотные, амплитудные, направленности, вре- менные), проводить анализ акустических сиг- налов и шумов и записывать временные про- цессы в помещениях и т. д. 11.2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ И ПОМЕЩЕНИЙ Общие замечания. Все частотные характе- ристики снимают (или соответствующие па- раметры измеряют) при плавном изменении частоты или на частотах предпочтительного ряда. В отдельных случаях параметры изме- ряют иа частотах с неравномерным рядом (см. Рис. 11.6. Схема измерения чувствительности микрофона. / — генератор тональный или белого шума; 2 — фильтр третьоктавный 3-- мощный усилитель; 4 — заглушенная камера; 5 — громкоговоритель; 6 — ис пытуемый микрофон; 7 — измерительный микрофон; а—милливольтметр; 9 милливольтметр, градуиро- ванный в паскалях или децибелах § 2.2). Во всех случаях измерений на дискрет- ных частотах необходимо отмечать места мак- симумов и минимумов и на них измерять зна- чения параметров. Все характеристики направ- ленности измеряют или при плавом изменении углов расположения осей испытуемой аппара- туры, или для углов, кратных 15° на частотах до 5000 Гц и кратных 5 выше этой частоты. Измерение характеристик микрофона в за- глушенной камере (в свободном поле). Для из- мерения чувствительности микрофона в сво- бодном поле следовало бы вначале измерить звуковое давление в точке, куда будет поме- щен испытуемый микрофон, а потом уже поме- щать его в эту точку. Но так как в камере практически отсутствует интерференция и рас- стояние микрофона от громкоговорителя берут раным 1 . . 1,5 м прн диаметре излучателя не более 25 см, то измерительный микрофон 7 (рис. 11.6) можно располагать поблизости от испытуемого микрофона. Устанавливая по из- мерителю звукового давления 7 необходимое давление р, измеряют напряжение UM. разви- ваемое испытуемым микрофоном, и определяют осевую чувствительность микрофона Еос— = UMip. При автоматической регулировке осевого давления, как известно, чатотную ха- рактеристику снимают путем плавного изме- нения частоты генератора Чувствительность определяют во всем номинальном диапазоне частот. По полученной частотной характерис- тике определяют неравномерность ее в номи- нальном и рабочем диапазонах частот. Сред- нюю чувствительность определяют в милли- вольтах на паскаль по формуле где — чувствительность, определенная на частотах предпочтительного ряда, входящих в номинальный диапазон частот, или в трегь- октавных полосах; п — число точек отсчета. При неравномерности менее 12 дБ допускает- ся определять среднеарифметическое значение чувствительности по формуле £ср-- 2 Ehln- k=-1 Уровень чувствительности и средней чувст- вительности в децибелах вычисляют по форму- ле Ам = 29 lg (£м- 1 ()-»/£,), где £м — чувст- вительность, мВ/Па; Е — чувствительность, равная 1 мВ'Па. Стандартный уровень чувствительности (в децибелах) определяют по формуле „ ^о|р= I Па А/о = 2О lg IP ,_ZT = У^ном 10 3 ___ £оС 20 lg z_________ . 1//?номЮ- 3 где Uo — напряжение (в вольтах), развивае- мое микрофоном иа номинальном сопротивле- 290
Рис. 11.7. Схема измерений диффуз- ной чувствительности микрофона: / — генератор белого шума; 2 — третьок- гааный фильтр; 3 — мощный усилитель; 4—реверберационная камера; 5 — гром- коговорители; 6 — испытуемый микрофон: 7 — измерительный микрофон; 8 — пере- ключатель; 9 усилитель микрофонный: 10 - милливольтметр иии нагрузки при звуковом давлении 1 Па, т е. чувствительность £ос, B/Па, /?ном — номинальное сопротивление нагрузки. Ом. Характеристику направленности микрофо- на снимают по схеме рис. 11.6, причем в зави- симости от задания или на нескольких часто- тах, используя тональный генератор, нли для шумового сигнала в третьоктавных полосах, или для заданной полосы частот, используя вместо третьоктавных фильтров соответствую- щий полосовой фильтр Для съемки характе- ристик направленности испытуемый микрофон укрепляют на поворотном диске с лимбом. Диск вращают вручную или автоматически, синхронно с регистрирующим столиком. Ха- рактеристику снимают в одной плоскости, проходящей через рабочую ось микрофона если он представляет собой тело вращения во- круг своей оси. Для других форм микрофона характеристику снимают для заданных пло- скостей, проходящих через рабочую ось. Угол поворота отсчитывают между рабочей осью и направлением на источник звука. Нормируют характеристику направленности по осевой чувствительности, т. е. чувствительности, из- меренной под углом 0 к оси микрофона (£н). Уровень чувствительности Лн = — 20 1g (Еи/Е„ с) под углом 0 (£„,. — осевая чувстви- тельность). Перепад чувствительности фронт-тыл оп- ределяют как разность уровнен чувствитель- ности под углами 0 и 180 между рабочей осью микрофона и направлением на источник звука. Этот перепад определяют для ряда частот но- минального диапазона или для заданной поло- сы частот. По измеренным данным находят средний перепад чувствительности как отно- шение средних чувствительностей, измерен- ных для углов 0 и 180°. Уровень эквивалентного звукового давле- ния, обусловленного собственными шумами микрофона и различными помехами, раздель- но для каждой помехи измеряют в заглушен- ной камере по схеме рис. 11.6 в отсутствие ис- точника звука и вычисляют по формуле £щ 20 1g (U вых’/£д«*ЙСТв £<>), где (7вых — напряжение на выходе микрофона, мВ; р0 — звуковое давление, равное 2- 10~5 / 6 2 Па, £дРйстн 1/ У М — действующая речевая чувствительность микрофона по сво- 10* бедному полю, мВ/Па; £0.с— значения чувст- вительности (в милливольтах на паскаль), из- меренные на частотах 200, 250, 315, 400, 500 и 630 Гц (или в соответствующих полосах частот третьоктавных фильтров) Измерение характеристик микрофона в ре- верберационной камере (в диффузном поле). В этой камере измеряют диффузную чувстви- тельность микрофона. Размещая измеритель- ный микрофон в зоне чисто диффузного поля (рис. 11.7) поблизости от испытуемого микро- фона, измеряют развиваемые ими выходные напряжения Г'диф и <7диф. Чувствительность по диффузному полю вычисляют либо по фор- муле £диф — £диф£диф£диф, где £диф — чувствительность измерительного микро<]юиа по диффузному полю, мВ/Па, либо по форму- ле £диф I г0,018 (£§„ 4 £f80о) + 0,129 (£|0о +^ + ^?50°) । 0.224 (£бо° "J £?20°) + ->+0,258£’0о, где £о°’ ^30”’ • — чувствительность микрофо- на под соответствующими углами (измеренная нлн определенная из характеристики направ- ленности) Числовые коэффициенты представ- ляют собой относительную величину широт- ных поясов на сферической поверхности под разными углами к оси сферы, т. е. к оси микро- фона. Аналогично измерениям в заглушенной камере снимают частотную характеристику чувствительности микрофона в диффузном по- ле и определяют среднюю чувствительность и уровень чувствительности. Коэффициент направленности вычисляют по формуле £2М = £о</£диф, где £ос и £д11ф — чувствительности по свободному и диффузному полю, мВ/Па Индекс направлен- ности вычисляют по формуле qM = 101gfiM или no R2, где R — отношение чувствитель- ности под углом к осевой чувствительности. Градуировка микрофона в резонансной трубе (рис. 11.8, а). Градиуируемый микро- фон 3 (обычно это измерительный конденса- торный микрофон) располагают в вырезе тру- бы 6 так, чтобы не сужать поперечного се- чения трубы. В оба конца трубы вставляют (очень плотно, чтобы не было утечки) одина- ковые обратимые преобразователи, например электродинамические или электромагнитные 291
Телефоны (/7Х, П2), поверхность их амбушю- ров должна быть по возможности хорошо отражающей. Трубу возбуждают на резонанс- ных частотах (fp = zi340/Z, где / — длина трубы), тогда в середине трубы и у поверх- ности преобразователей будут пучности коле- баний с одинаковыми амплитудами. При пер- вом измерении преобразователь П1 работает излучателем, а П2 — приемником. Этот при- емник развивает ЭДС на выходе U„. Во вто- ром измерении преобразователь П2 работает излучателем, а П1 служит только отражате- лем. Регистрируют ток »п, проходящий че- рез излучатель П2. В обоих измерениях ЭДС UM, развиваемая градуируемым микрофо- ном, устанавливается одинаковой, что сви детельствует об одинаковом звуковом давле- нии ртах в пучностях звуковых волн как в середине трубы, так и у ее концов. Для заторможенного преобразователя-из- лучателя1 коэффициент электромеханической связи /С] = & / 1ц = Рта х *-*/ ' п • где & — усилие, развиваемое излучателем; S — сечение трубы (оно должно быть равно площади излучателя); ртах — звуковое дав- ление около излучателя (и в пучностях). Заторможенность излучателя получается вследствие того, что около излучателя имеет место узел скорости колебаний omIr], так как у излучателя хорошо отражающая по- верхность Коэффициент электромеханической связи приемника Кг = Z7n/vmln, где umln — ско рость колебаний около приемника звука (и в узлах). На основании теоремы взаимности Pmax^Gi ^n^mln Так как в слу- чае неполного отражения от концов трубы PmaxT'max z Pmli/vmIn Р^^б.В' Где 0е удельное акустическое сопротивление возду- ха; «Г,.в = Pmln^max — коэффициент бегу- 1 Заторможенность излучателя означает, что скорость его колебаний сделана равной нулю. щей волны, то звуковое давление в пучности Р = Ртах = V*VnP<^$«6.B- Следователь- но, чувствительность градуируемого микро- фона (по давлению) £д = UKlp- Градуировка микрофона в антирезонаисиой трубе. Так же, как и в предыдущем случае, для градуировки пользуются одинаковыми обратимыми преобразователями П1, П2 (на- пример, телефонами), вставляемыми в концы трубы 6. Трубу (рис. 11.8, б) возбуждают на антирезонансных частотах (/а.р = 340 (2л + 1)/4/). В первом измерении преобразователь П1 служит излучателем, а П2 — приемником звука. Регистрируют ЭДС (7П, развиваемую последним. Во втором измерении заменяют П2 градуируемым микрофоном 3, записы- вают ЭДС (/м, развиваемую им В третьем измерении заменяют излучатель П1 другим обратимым преобразователем П2 и записы- вают ток in в нем для того же значения ЭДС градуируемого микрофона. На основе теоре- мы взаимности имеем pS/in = Unlv. Так как для антирезонанса волновое акустическое со- противление трубы равно акустическому со- противлению плоской волны в неограничен- ном пространстве, то Un = р^рс, откуда зву- ковое давление получается равным р = = yn.j.npc/S, откуда имеем для чувствитель- ности микрофона (по давлению) £д = UM!p. Заметим, что в данном случае давление вслед- ствие антирезонанса невелико и утечка в щели между преобразователями и трубой не играет заметной роли. В обоих случаях измерения в трубах по- лучают чувствительность микрофона по дав- лению. Если размеры микрофона невелики в сравнении с длиной волны, то эта чувстви- тельность будет равна чувствительности по полю. Измерение характеристик микрофонов ближнего действия (рис. 11.9). Эти измерения проводят с помощью искусственного рта 3 (см. рис. 11 3). Микрофон устанавливают на расстоянии 1,5 2,5 см от отверстия рта и из- меряют развиваемое им напряжение при зву- ковом давлении в точке микрофона, равном I Па. Устройство предварительно градуируют Рис. 11.8. I радуировка микрофона: а) в резонансной трубе, б) в антирезонансной' / — генератор тональный, 2 — переключатель; 3 — градуируемый микрофон 4—4 — милливольт метр, градуируемый в паскалях или в децибелах. 5 — милливольтметр; 6’ — труба; 7 — миллиам- перметр; 8 — шунт; /7| — первый обратимый преобразователь; П?— второй обратимый преобразо- ватель 292
Рис. 11 9. Схема измерения чувствительности микрофона ближнего действия: / — генератор; 2 — вольтметр; 3 — искусственный рот; 4 — испытуемый микрофон; 5—милливольт- метр Рнс. 11.10 Схема измерения внутреннего со- противления микрофона: I — генератор, 2 — заглушенная камера; 3— громко говоритель 4 — испытуемый микрофон, 5 — милли- вольтметр; 6 — ключ; 7 — магазин сопротивлений эталонным измерителем звукового давления по напряжению иа его входе. Измерения ре- комендуют проводить в заглушенном ящике или вдали от отражающих поверхностей. Характеристику направленности микрофона снимают в заглушенной камере (т е. только для удаленного источника звука). Отноше- ние чувствительностей микрофона, измерен- ных в ближнем поле с искусственным ртом и в диффузном поле (см. рис. 11.7), определяет шумостойкость микрофона Остальные па- раметры определяют так же, как и для обычных микрофонов. Измерение внутреннего сопротивления микрофона (рис. 11.10). Внутреннее сопро- тивление измеряют, например, при изменении нагрузочного активного сопротивления 7. Сопротивление нагрузки, при котором полу- чается уменьшение выходного напряжения вдвое по сравнению с холостым ходом, соот- ветствует внутреннему сопротивлению микро- фона Измерение характеристик громкоговори- телей в заглушенной камере. Для снятия ха- рактеристик громкоговорителя измеритель- ный микрофон устанавливают на расстоянии г = (2...4)d от него, где d — средний размер излучателя (рис. 11.11). Напряжение, подво- димое к громкоговорителю, устанавливают со- ответственно формуле U — I/OJ/’h ом^ НОМ’ где Р„оМ — номинальная мощность громко- говорителя; /?ном — его номинальное вход- ное сопротивление. (Для громкоговорителей мощностью менее 0,5 Вт напряжение берут ближе к номинальному.) При испытаниях на номинальную мощность синусоидальное на- пряжение берут равным номинальному, а шумовое — равным 0,707 номинального Измерителем звукового давления 7 — 8 регистрируют звуковое давление, развивае- мое громкоговорителем в зависимости от час- тоты, на которой возбуждают громкоговори- тель (при тональном возбуждении), или сред- ней частоты третьоктавного фильтра (при воз- буждении от генератора белого шума). Это давление вычисляют по формуле р = U0/Euc, где U„ — напряжение, развиваемое измери- тельным микрофоном, мВ; Ео с — осевая чувствительность измерительного микрофона (мВ/Па) на заданной частоте. Измерения ве- дут иа частотах предпочтительного ряда с ре- гистрацией пиков и провалов частотной ха- рактеристики ие уже 1/8 октавы (для шумового возбуждения этого не требуется). Более пред- почтительно измерение с плавным изменением частоты генератора и регистрацией характе- ристики на бланке (для этого диск генератора и валик с бланком должны вращаться син- хронно). Среднее звуковое давление по данным час- тотной характеристики вычисляют по формуле / 2 Рср— 1/ V Pk/n, где ph — звуковое давле- ние, развиваемое громкоговорителем на часто- те fa (или средней частоте /г-го третьоктавного фильтра); п — число точек измерения (оно не должно быть менее 10). При неравномер- ности частотной характеристики менее 12 дБ можно вычислять среднее арифметическое И значение по формуле pCD— PtJn Среднее *=1 стандартное звуковое давление ргрст вь,‘ числяют по формуле / Рср.гт- Реп , 'о гДе Рср — среднее звуковое давление, разви- ваемое громкоговорителем в номинальном диа- пазоне частот (см. выше). Па; I — расстояние от рабочего центра громкоговорителя до изме- рительного микрофона, м; Р — электричес- кая мощность. Вт; Рп = 0,1 Вт; /, = I м. Рис. 11.11. Схема измерения чувствительности громкоговорителя: / — генератор тональный или белого шума с фильт- ром розового шума; 2 — третьоктавиый фильтр (при- меняют при измерении с шумом); 3— мощный уси- литель; 4—вольтметр; 5 — заглушенная камера; 6 — испытуемый громкоговоритель; 7 — измеритель- ный микрофон; 8 — милливольтметр, градуированный в паскалях или децибелах 293
Характеристическую чувствительность громкоговорителя на рабочей оси вычисляют по формуле (Па/Вт). Ех—Рср Р1о)> где Рср — среднее звуковое давление в но- минальном диапазоне частот (см выше), Па; Р — электрическая мощность, подводимая к громкоговорителю, Вт; / — расстояние от ра- бочего центра громкоговорителя до измери- тельного микрофона, м; — I м. Эффективно воспроизводимый диапазон частот находят по частотной характеристике громкоговорителя путем определения частот, соответствующих точкам пересечения прямой, параллельной оси частот, с частотной харак- теристикой громкоговорителя (см. рис. 10 1). Прямую линию проводят на 10 дБ ниже уровня среднего звукового давления в октав- ной полосе частот, соответствующей макси- мальной чувствительности громкоговорителя Этот уровень вычисляют по формуле Л%8х = 201g (рср окт^Ро)- где Рср.окт Ph п среднее звуковое давление; ри = 2 • 10“5 Па; Pf) — звуковое давление, развиваемое громко- говорителем на частоте (или средней часто- те /г-го третьоктавного фильтра), Па; п — число точек отсчета Для синусоидального сигнала оно должно быть не менее 7 (через 1/боктавы), для третьоктавных фильтров—3. Неравномерность частотной характеристи- ки громкоговорителя определяют в номиналь- ном и рабочем диапазонах частот Диаграмму направленности громкоговори- теля снимают в заглушенной камере по схеме рис. 11.11 с поворотом громкоговорителя во- круг оси, проходящей через его рабочий центр перпендикулярно его рабочей оси. Громко- говоритель вращают или вручную, или авто- матически, синхронно с поворотом столика, иа котором закреплен бланк диаграммы на- правленности. Для громкоговорителей с раз- ными размерами продольной и поперечной осей излучателя снимают две диаграммы на- правленности; в плоскостях, проходящих через рабочую ось и соответственно продольную и поперечную оси излучателя. Диаграммы на- правленности снимают или для ряда частот, Рис 11 12. Схема измерения акустической мощности громкоговорителя: / — генератор белого шума с фильтром розового шума; 2 — третьоктавный фильтр; 3 — мощный уси- литель; 4 — вольтметр. 5 —- реверберационная каме ра; 6 — испытуемый громкоговоритель; 7 — измери тельный микрофон; 8 — милливольтметр, градуиро- ванный в паскалях или децибелах или для основной части диапазона. В послед- нем случае громкоговорителю подается шу- мовое напряжение через полосовой фильтр, имеющий полосу, равную основной. В тех случаях, когда размеры камеры не позволяют проводить измерения характерис- тик направленности громкоговорителей (на- пример, для больших звуковых колонок и ру- порных громкоговорителей), проводят изме- рения на моделях этих громкоговорителей с соответствующим повышением частоты изме- рений. Измерение характеристик громкоговори- телей в реверберационной камере (рис. 11.12). В этой камере измеряют излучаемую мощность громкоговорителя, которую можно определить и по формуле р2-0,161И 4-4127 10—1 р2 И Т ’ где Т — время реверберации в камере, с; р — звуковое давление диффузного поля, Па; V — объем камеры, м3. Правда, эта мощность несколько меньше той, которую развивает громкоговоритель в открытом пространстве, так как вследствие реакции диффузного поля на излучатель уменьшается его сопротивление излучения, но эта поправка обычно находится в пределах точности измерений Зная излучаемую мощность Ра и звуковое давление plt развиваемое громкоговорителем в заглушенной камере иа расстоянии 1 м от его рабочего центра, можно найти коэффици- ент осевой концентрации 4лр| phPa Q = Pi 3,05-io-2 -~ Р а где Р) рг г; рг — звуковое давление изме- ренное на расстоянии г (в метрах). Измерение коэффициента нелинейных ис- кажений1. Измерения ведут при подведении к громкоговорителю номинального напряжения по схеме рис 11.11, а к измерительному мик- рофону подключают измеритель нелинейных искажений или анализатор гармоник. При измерении коэффициента гармоничес- ких искажений к громкоговорителю подво- дится синусоидальное напряжение на задан- ных частотах и измеряются выходные напря- жения измерительного микрофона 6'^ на ос- новной частоте и гармониках (обычно второй и третьей) Суммарный коэффициент гармо- нических искажений (в процентах) Кн.и Кг.и V42-! -lOO/t/,. При измерении коэффициента интермоду- ляционных искажений к громкоговорителю подается напряжение от двух тональных гене- раторов, частоты которых /, и /2 устанавли- ваются следующим образом частота Д бе- 1 Под этим коэффициентом подразуме- ваются коэффициенты гармонических и ин- термодуляционных искажений n-го порядка и суммарные 294
рется из предпочтительного ряда (см. § 2.2) иа 1/3 выше нижней границы номинального диапазона, частоты /2 должны быть не ниже 6Д (оговариваются в технической документа- ции) Напряжения генераторов устанавли- ваются в соотношении 4 : 1 при общем напря- жении, равном номинальному. Анализатором гармоник определяют напряжение на выходе измерительного микрофона на частотах /2, fi±fi и /2±2/1- Суммарный коэффициент интермодуляционных искажений определяет- ся по формуле (в процентах) Ан.и =АГи.и= [К+ </{/s + f1))2 + + • 10°- ГДе U(f,+fth Uif,-2f,h U(f, + 2f,) И Ufs — напряжения (звуковые давления) на. соот- ветствующих частотах. Измерение входного сопротивления гром- коговорителей. Эти измерения проводят так же как и в случае измерения любого комплекс- ного сопротивления. Измеряют его на пред- почтительном ряде частот (см. § 2.2) с ин- тервалом 1/3 октавы от 0,5/м до 1,5/м и через октаву в остальном диапазоне частот. При этом обязательно находят максимум и мини- мум модуля входного сопротивления. Перво- му соответствует частота механического резо- нанса /м, второму — частота электромехани- ческого резонанса /э.м- Наиболее распространенная схема измере- ния входного сопротивления приведена на рис. 11 13. Она основана на сравнении сопро- тивления громкоговорителя и магазина сопро- тивлений. Последнее подбирают так, чтобы на- пряжение на громкоговорителе 1/Г и на мага- зине Uft было одинаковым. Сопротивление магазина при этом равно модулю г. Если надо знать фазовый угол входного сопротивления, то измеряют при этом напряжение на выходе звукового генератора Uo Угол определяют из выражения cos <р -|l/J/(2t/rp) 1 — 1- Измерение скорости колебаний подвижной системы громкоговорителя. Оно сводится к измерению звукового давления, развивае- мого громкоговорителем на расстоянии 1 м от его рабочего центра. Скорость колебаний оп- ределяют по формуле v inp,!(pwS), если громкоговоритель находится в экране. При нахождении его в закрытом корпусе мно- житель 2 надо заменить на 4. Здесь S — пло- щадь излучателя; р — плотность среды (обыч- но воздуха) и «о — угловая частота колебаний Снятие характеристик телефона. Характе- ристики снимают при расположении телефона на искусственном ухе (см. рис 11.3) Измеряют частотную характеристику чувствительности телефона 3 по схеме рис. 11.14 Чувствитель- ность определяют по формуле £т = p!UKX, где Рис. II 13. Схема измерения входного сопро- тивления громкоговорителя: I — звуковой генератор: 2 — громкоговоритель; 3 — магазин сопротивлений; 4— вольтметр; Ki и К2 — ключи для переключения вольтметра; <Л> — общее напряжение; 1/г—напряжение иа громкоговорителе; Ur — напряжение на сопротивлении (/вх — напряжение, подводимое к телефону, В; р — звуковое давление, развиваемое теле- фоном в искусственном ухе Для измерения отдачи последовательно с телефоном включают активное сопротивление, численно равное мо- дулю сопротивления телефона иа частоте 1000 Гц при подведении к схеме 1 мВ А. Измерение входного сопротивления и коэффи- циента нелинейных искажений проводят, как и для громкоговорителей. Измерение времени реверберации в задан- ных помещениях. Для этой цели используют реверберометр (см. рис. 11.2). Так как в ре- альных помещениях нельзя гарантировать диффузность поля, то измерения проводят воющим тоном или полосами шума и в ряде то- чек (например, с качающимся микрофоном, рис. 11.15, а) (Если бы поле в помещении было диффузным, то достаточно было бы найти вре- менную задержку, при которой уровень сни- зится на 60 дБ (это и было бы временем стан- дартной реверберации). Можно также опре- делить снижение уровня AL для определен- ной задержки и вычислить время стандарт- ной реверберации по формуле Т — 60t/AL. Но так как звуковое поле в той или иной сте- пени отклоняется от диффузного, особенно в обычных помещениях, то приходится изме- рять перепад уровней для нескольких зна- чений временной задержки и усреднять полу- ченные результаты или же строить кривую Рис. 11.14. Схема измерения чувствительности телефона: I — генератор тональный; 2 — вольтметр: 3 — испы туемый телефон; 4 — искусственное ухо; 5 — вольт метр искусственного уха, градуированный в паска- лях или децибелах' 295
затухания уровней по измеренным перепадам их и затем графически определять время стан дартиой реверберации (см. рис. 11.15,6). В практике применяют и реверберометры ин- тегрального типа. В них происходит интегри- рование уровней во времени с момента выклю- чения источника звука Lo до достижения за- данного порогового уровня Ln. Если началь- ный уровень Le задан, то время реверберации Т = 120 B/(L§ — L2), где В — интеграль- т иое значение показаний прибора (В = j Ldt). о Измерение коэффициентов поглощения звука в реверберационной камере. В этом слу- чае измеряют диффузный коэффициент по- глощения обычно используемый при расчетах времени реверберации. В реверберационной камере измеряют время реверберации до (7\) и после (Т2) внесения туда поглощающего ма- териала площадью S. Соответственно ко- эффициент поглощения V ах = 0,161 —— 1 1 Т2 ~ Т} где V — объем камеры, м3 При этих измерениях материал должен быть расположен так, как он будет использо- ван (например, с учетом того материала, кото- рый будет находиться за ним). Размеры об- разцов должны быть такими же, как и в на- туре, или во всяком случае быть больше самой длинной волны. Измерение коэффициентов поглощения в трубе (см рис. 11 5). Если в прямой волне звуковое давление рпр, а в отраженной рптр, то в пучности оно будет ртах = |рпр| “Ь 1РотрЬ а 8 Узле Pmln iPnpl ~ |Ротр|. где ротр — РпрРотр> Ротр Ротр РпаД коэффициент отражения по давлению. Ко- эффициент отражения по интенсивности „ .пр I Р°ТР «отр — I р I —I I Рпр [Ртах Pmln V Pmax + Pmln I а коэффициент поглощения а — 1 —<Хотр = 1 — Ртах Pmln Рта х4~ Pmln 2Ртах Pmln (РтахЧ- Pmln)2 Расстояние между соседними пучностями или узлами позволяет проконтролировать частоту колебаний, так как А/ = c/2f. С по- мощью этой трубы можно определить акусти- ческое сопротивление отражающего материала. Для этого требуется измерить расстояние А/ между отражающим материалом и ближай- шим к нему узлом звукового давления рт)11. Сдвиг фаз при отражении волны давления определится из формулы ф = л — Коэффициент отражения в комплексном виде Ротр — Ртах Pmln Ртах F Pinin = iq. Измерение звукоизоляции перегородок. Эти измерения сводятся к измерению уровней зву- кового давления перед перегородкой Lj и пос- ле нее Г2 Измерения проводят в ревербера- ционной камере (рис. 11.16). Перегородку 8 плотно монтируют в толстую стену без щелей с виброизоляцией от других стен Размеры перегородок берут по возможности натурными, но не менее 10 м2 и минимальные размеры не менее 2,5 см. Звукоизоляция перегородки с учетом увеличения уровня в реверберацион- ной камере Qnep = L, — L2 + 101g (Snep/A). где Snep — площадь перегородки; А — общее поглощение в реверберационной камере после перегородки. Объем камеры должен быть не менее 50 м3, измерительные точки (три для частот свыше 500 Гц и шесть ниже ее) должны находиться на расстоянии не менее 1 м от ограждающих поверхностей камеры и не менее А/5 от источ- ника шума. Измерения ведут в октавных или Рис. 11.15. Измерение времени реверберации: a — схема: I — генератор тональный или белого шума; 2 — третьоктавиый фильтр (при измерении с шумом); 3— мощный усилитель; 4— выключатель шума; 5 — испытуемое помещение или ревер- берационная камера (при измерения коэффициентов поглощения); 6 — громкоговоритель; 7 — изме- рительный микрофон; 8— реверберометр (см. рис. 11.2); 9— цепь выключения громкоговорителя; б — иллюстрация вычисления времени реверберации 2%
Третьоктавных полосах частот (см. табл. 2.2) в диапазоне 100...3150 Гц. Уровни измеряют шумомером с полосовыми фильтрами. Сред- ний уровень для каждой полосы определяется как среднее арифметическое из значений, изме- ренных во всех точках. Измерение звукоизоляции помещений. В этом случае достаточно измерить уровень шу- ма вне помещения и внутри его в нескольких точках. Звукоизоляция Qll3 = Lt — L2. Измерение акустических шумов, сигналов и нх анализ. С помощью шумомера измеряют ориентировочное значение уровня громкости шума при использовании наиболее вероятной шкалы После этого устанавливают переклю- чатель на шкалу, соответствующую получен- ному уровню, и вновь измеряют уровень громкости. При необходимости включают по- лосовые фильтры и измеряют уровень интен- сивности в каждой из полос (шкала С). Изме- рения проводят для той постоянной времени, которая задана по техническим условиям. Для определения соответствия шумов сани- тарным нормам по уровню звука его измеряют шумомером. Данные отсчитывают в децибе- лах по шкале А (дБА). Соответствие по спект- ру определяют путем измерения уровней зву- кового давления в децибелах по шкале С (дБС) в октавных полосах со средними геомет- рическими частотами: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. Постоянная времени шу- момера должна быть в положении «Быстро». Для спектрального анализа различных сигналов применяют третьоктавные фильтры со средними геометрическими частотами, опре- деляемыми следующей последовательностью чисел: 1; 1,25; 1.60; 2,00; 2,50; 3,15; 4,00; 5.00; 6,30; 8,00 и 10,0, умножаемой на 10, 100, 1000, 10 000 Амплитудные распределения уровней сиг- налов определяют с помощью 12 пороговых устройств, равномерно распределенных по ди- намическим диапазонам 25, 50 или 75 дБ. По- стоянная времени берется равной 200 мс для субъективных оценок или 20 мс для аппара- турных целей. Измерение разборчивости речи. Как уже указывалось, для измерений разборчивости речи пользуются методом артикуляции или ме- тодом выбора. Для артикуляционных измере- ний пользуются специальными таблицами. Диктор читает слова или звукосочетания (сло- ги), а слушатели записывают их и после про чтения всех таблиц сверяют их с прочтенными таблицами. При чтении необходимо строго со- блюдать интервалы (например, 3 с на один слог). Чтение должно быть четким, но без подчеркивания. Число передаваемых таблиц определяют согласно требуемой точности. После проверки подсчитывают процент пра- вильно принятых элементов и определяют среднее значение разборчивости. Артикуля- ционная бригада должна быть составлена из молодых людей без дефектов речи и слуха. Она должна быть натренирована так, чтобы полу- чать на эталонном тракте устойчивые резуль- таты. Рис. 11.16. Схема измерения звукоизоляции перегородок; / — генератор тональный или белого шума; 2 — третьоктавиый фильтр (при измерении с шумом); 3 — мощный усилитель; 4 — громкоговорители; 5 и 6 — измерительные микрофоны; 7 — милливольтмет- ры; 8— испытуемая перегородка; 9— ревербераци- онная камера Обычный артикуляционный метод очень трудоемок: требует много операторов (в бри- гаду входят 4—5 человек слушателей и 1—2 диктора); много времени уходит на тренировку (для сильных искажений требуется несколько дней), на обработку результатов; результаты измерений частот зависят от настроения опе- раторов и т. д. Метод выбора менее трудоемок, ио его точность не настолько достаточна, что- бы им можно было пользоваться для важ- ных приемосдаточных испытаний. Обычно им пользуются только для диагностических испы- таний В 1957 г был введен ГОСТ [10 10| на тональный метод измерения разборчивости речи, свободный от ряда недостатков артику- ляционных методов Метод был распространен на тракт проводной и радиосвязи и допущен к применению наравне с артикуляционным методом. Тональный метод измерения разборчи- вости речи основан на том, что человек очень точно может определить уровень звука, при котором он достигает порога слышимости При этом методе речь заменяют определенным чис- лом отдельных тонов, последовательно вос- производимых устройством, которое создает определенный уровень звукового давления пе- ред микрофоном измеряемого тракта, а иа выходе тракта определяют уровень ощущения для каждого из тонов путем прослушивания их оператором через телефон или через громко- говоритель (для громкоговорящей связи). Уро- вень ощущения тоиа равен затуханию, вводи- мому в цепь звуковоспроизводящего уст- ройства, до тех пор, пока не исчезнет слыши- мость каждого тона. По измеренным уров- ням ощущения тона с помощью таблиц и гра- фиков, применяемых при расчете разборчи- вости речи, определяют формантную разбор- чивость речи, а по ней — слоговую, словес- ную разборчивость и понятность речи Для тонального измерения и определения разборчивости речи применяют следующие измерительные приборы и оборудование; ис- кусственный рот, генератор звуковой часто- 297
ты, электронный вольтметр, магазин затуха- ний, генератор шума с звуковоспроизводя- щим устройством, два звукоизолированных друг от друга помещения Допускается изме- рение в одном и том же помещении, если будет исключена возможность слышимости изме- ряемого сигнала по воздуху непосредственно (для громкоговорящей связи обязательно должны быть звукоизолированные помеще- ния) Помещения должны быть защищены от воздействия посторонних звуков, сотрясений и шумов, кроме тех, которые задаются усло- виями испытаний. Измерения должны прово- диться на трактах со всеми элементами, входя- щими в них, и в рабочих режимах с соблюде- нием технических условий для данных трак- тов и методов их испытаний. Искусственный рот на расстоянии 2 см от центра выходного отверстия по оси в за- висимости от средней частоты полос равной разборчивости должен создавать следующие уровни звукового давления: му уровню Звукового давления На первой час- тоте измерения (265 Гц). На приемном конце слушатель плавно вво- дит затухание до исчезновения слышимости тона (чтобы тон был лучше слышен, его дела- ют прерывистым), затем затухание убавляет до момента появления слышимости звука. Среднее значение вводимого затухания этих двух измерений и является уровнем ощуще- ния данной частотной составляющей. Затем из- мерения проводят для следующей частоты и т. д. При определении уровня ощущения тона в случае слушания на телефон микротеле- фонной трубки последний должен быть плотно прижат к уху слушателя, а при ослушании на телефоны с оголовьем степень прижатия должна соответствовать условиям эксплуата- ции. Измеренные уровни ощущения получаются для пикового уровня речи в соответствующей полосе равной разборчивости. Вычитая из них значение пнк-фактора речи (12 дБ), по- Частота. Гн 265 400 535 Уровень, дБ 77,5 76,5 74,0 Частота, Гц . 1320 1505 1700 Уровень, дБ 64.0 63,0 62,0 Частота, Гц 3020 3415 3890 Уровень, дБ 58,0 57,5 57,0 680 825 980 1145 72,0 69,5 67,5 66,0 1910 2140 4395 2685 61,0 60,5 59,5 58,5 4370 5215 6320 56,5 56.0 54,5 Измерение этих уровней при градуировке искусственного рта необходимо проводить в отсутствие испытуемого микрофона. Допуска- ется измерение и при наличии испытуемого микрофона, если этот микрофон небольших размеров и не искажает звукового поля вблизи искусственного рта. Уровень звукового дав- ления измеряют любым измерителем, обеспе- чивающим точность измерений не менее 0,5 дБ. Обычно применяют или специальный изме- ритель уровня звукового давления, или шу- момер с включением шкалы С (а если в нем есть дополнительная шкала с равномерной частотной характеристикой, то пользуются ею). Расположение искусственного рта в поме- щении должно быть таким, чтобы отражения от стен и других предметов не влияли на зву- ковое поле у микрофона. Спектральный со- став и уровень акустических шумов в поме- щениях, в которых находятся микрофон и слушатель, должны быть заданы технически- ми условиями на испытания. Если особо не оговорено, то шум должен быть диффузным, а спектр шума — речевой, с уровнем 65 дБ. Микрофон располагается так, как около искус- ственного рта человека. Если расстояние от рта человека не задано, то располагают мик- рофон на расстоянии 2 см от центра рта по его оси, а для микрофонов типа ДЭМШ — сбо- ку от отверстия рта (в 2 см от его оси). Магазин затуханий включают между генерато- ром звуковой частоты и искусственным ртом, а располагают его около слушателя, чтобы слушатель мог сам регулировать затухание. После подготовки аппаратуры к испытаниям устанавливают напряжение на зажимах ис- кусственного рта, соответствующее требуемо- ощущения лучают средние значения уровней формант Е^ (см. рис. 10.6). Пользуясь кривой 1, по уровням находят коэффициенты раз- борчивости Щд для каждой полосы равной раз- борчивости. Суммируя эти значения и деля на 20 (число полос), получают формантную разборчивость, а по ней можно найти слоговую разборчивость (см. рис. 10.7). Измереине разборчивости речи объектив- ным методом. Такой метод применяют, чтобы исключить влияние фактора субъективности слушателя. Как указывалось в § 2.3, порог слышимости в шумах с уровнем выше 40 дБ равен уровню шума в критической полоске слуха. Это обстоятельство используют для измерения уровня ощущения речи. В этом слу- чае вместо слушателя применяют искусст- венное ухо (см рис. 11.4), на котором распо- лагают телефон (для громкоговорящего приема его помещают в том месте, где размещается ухо слушателя). В искусственном ухе есть микрофон, напряжение от которого подается на измеритель уровня звукового давления. Между микрофоном и измерителем поочередно включают полосные фильтры с шириной поло- сы, равной ширине критических полосок слу- ха. Измеряя уровень звукового давления, создаваемый шумами (в отсутствие сигнала), получают уровень порога слышимости, соот- вествующий действию этих шумов на слух человека. Затем генератор шума выключают и через испытуемый тракт подают тональный сигнал, как и в случае тонального метода, с уровнем, соответствующим данной полосе равной разборчивости. Вводят затухание меж- ду генератором и искусственным ртом до тех пор, пока на измерителе уровня (искусствец- 298
ного уха) не будет тот же уровень, что и для шумов в полосе равной разборчивости. Вве- денное затухание получается равным уровню ощущения речи. Этот метод более стабилен, чем тональный, однако ему присущ такой недостаток: в шу- мах со спектром, сильно отличающимся от равномерного, он дает ошибку, обусловленную взаимной маскировкой составляющих шума Оба метода дают ошибку измерений в им- пульсных шумах. 11.3. ЭКСПЕРТИЗА МУЗЫКАЛЬНЫХ ПЕРЕДАЧ Измерение качества звучания художест- венных передач. Для этих измерений пользу- ются методом субъективных экспертиз. Сущ- ность метода заключается в том, что проводят сравнение звучания через испытуемый тракт и эталонный. При этом для получения доста- точной точности оценки приходится прибегать к большой группе экспертов (в их числе могут быть как профессионалы, так и обычные слу- шатели). Если надо оценить массовую аппа- ратуру, то приходится комплектовать группу из обычных слушателей, а если надо оценить профессиональную аппаратуру, то лучше прибегать к помощи профессионалов. Для оценки по классам точности необходимо иметь эталонные тракты с соответствующими макси- мальными значениями искажений для данного класса точности. Эксперты последовательно прослушивают одну и ту же передачу через испытуемый и эталонный тракты и оценивают, к какому из них ближе испытуемый. Эталонные тракты градуируют по первич иым эталонам. Такие эталоны (они должны быть у ведущих организаций) предварительно с помощью экспертиз регулируются и хра- нятся в дальнейшем для сравнения с рабочими эталонами. Метод субъективных экспертиз трудоемок и не всегда обеспечивает достаточную точ- ность оценки, особенно при различных спе- цифических искажениях. Поэтому был пред- ложен объективный метод оценки трактов пе- редачи различных сигналов, в том числе сигна- лов художественных передач. Он основан на том, что вторичный сигнал должен возможно точно воспроизводить первичный (кроме фа- зовых соотношений) с учетом точности слуха при определении уровней передачи. В этом методе используют корреляцию между уров- нями первичного и вторичного сигналов. Для этого на вход коррелятора подают первичный и вторичный сигналы, нормированные по средним значениям и с компенсацией фазовых сдвигов между этими сигналами. Коэффициент взаимной корреляции этих сигналов показы- вает, насколько они одинаковы по амплитуд- ным соотношениям Оказывается, что такой коэффициент довольно хорошо согласуется с оценками экспертов. Трудность данного мето- да заключается в том. что ие всегда легко компенсировать фазовые сдвиги, особенно при передаче через большое число звеньев тракта. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ЗВУЧАНИЯ Качество звучания — важнейший потре- бительский параметр любого звуковоспроиз водящего устройства, и в первую очередь акус- тических систем. Неискушенному слушателю более или менее безразлично, какую неравно- мерность частотной характеристики имеет аку- стическая система и воспроизводит ли она низ- шие частоты от 30 или от 50 Гц. Если качество ее звучания не удовлетворяет слушателя, то он не будет приобретать такую акустическую сис- тему. Эталоном качества звучания является на- туральное звучание оркестра, хора, солистов, звучание отдельных инструментов и т д Этот общий для всех слушателей эталон служит основой для разработки методик проведения субъективно-статистических экспертиз ка- чества звучания, результаты которых должны являться таким же объективным параметром громкоговорителя или акустической системы, как и основные их характеристики, приводи- мые в описании или паспорте.Если акустичес- кая система получила высокую оценку экс- пертов по качеству звучания, то при повторе- нии аналогичной экспертизы в другом месте с участием других экспертов оценки должны совпадать Несовпадение оценок свидетель- ствует о некорректном проведении экспертизы неправильной ее организации. Метод эксперт- ной оценки качества звучания регламенти- руется ОСТ 4.202 003-84. Имеются также и международные рекомендации, в частности Публикация 543 МЭК. Эти документы регла- ментируют методику экспертной оценки ка- чества звучания, обработку получаемых экс- пертопоказаний, выбор звукового материала для прослушивания, параметры электричес- кого тракта и акустическую обстановку в по- мещении прослушивания Выполнение этих рекомендаций позволяет получать из субъек- тивных экспертопоказаний (оценок) экспер- тов вполне однозначные объективные резуль- таты о качестве звучания акустических систем и громкоговорителей. Основные положения стандарта заключа- ются в следующем В проведении экспертизы может принимать участие бригада экспертов от 4 до 6 человек одновременно. Эксперты должны не реже одного раза в год проверять- ся у врача-отоларинголога. Группа экспертов может работать непрерывно не более 20 мин, затем следует перерыв такой же продолжи- тельности. Длительность сеанса должна быть не более 2 ч, включая периоды отдыха. Поме- щение для экспертной оценки качества зву- чания должно иметь прямоугольную форму, объем его должен составлять 60. .. 100 м3. Пред- почтительные размеры помещения- высота 2,5 .3,0 м, длина не менее 6 м, ширина не менее 4 м. Время реверберации помещения, измеренное в октавных полосах белого шума со среднегеометрическими частотами в диапа- зоне 250 .4000 Гц должно быть 0,3. 0.6 с. Уровень акустических шумов в помещении 299
не должен превышать 35 дБА. Тестовая про- грамма (звуковой материал) должна состоять из следующих фрагментов: речь; симфоничес- кий оркестр; рояль, скрипка и виолончель; деревянные духовые и струнные инструменты; медные духовые инструменты; хоровое пе- ние без музыкального сопровождения; соль- ное пение и инструментальное сопровождение; джазовый оркестр; рок-группа. Фрагменты, из которых составлена тестовая программа, должны представлять собой законченные фра- зы. Продолжительность звучания фрагментов должна быть 50...60 с, продолжительность пауз между фрагментами 10... 15 с — это вре- мя необходимо экспертам для вынесения оцен- ки и регистрации ее в специальной карточке. Каждый фрагмент тестовой программы сле- дует воспроизводить поочередно через эталон- ную и испытуемую акустические системы с со- ответствующей синхронной индикацией при- своенных им условных номеров или символов. Изготовление тестовой программы произво- дится в специализированных организациях — фирме «Мелодия» или в Государственном доме радиовещания и звукозаписи. Для испытаний применяют высококачест" венную аппаратуру. Так, усилитель мощности должен иметь линейную частотную характе- ристику с неравномерностью, не превышаю- щей ±0,5 дБ относительно частоты 1000 Гц в диапазоне частот не уже диапазона частот испытуемой акустической системы: амплитуд- ная характеристика усилителя должна обес- печивать линейное усиление до уровней, на 3 дБ превышающих необходимый для прово- димых испытаний, т. е. должен обеспечивать- ся 100 % запас по мощности. Напряжение соб- ственного шума и фона, приведенное ко входу усилителя, не должно превышать 1 мВ. Ко- эффициент гармоник усилителя при номиналь- ном выходном напряжении не должен превы- шать 0,3 минимального значения коэффициен- та гармоник испытуемого образца акустичес- кой системы. Модуль выходного сопротивле- ния усилителя не должен превышать 0,1 но- минального сопротивления нагрузки. Уси- литель мощности должен иметь плавную регу- лировку чувствительности по входу. Помимо усилителя мощности, электрический тракт должен включать предварительный усилитель низкой частоты, имеющий диапазон частот 20...200 000 Гц, коэффициент усиления 10... 100 дБ, отклонение частотной характеристи- ки от линейной относительно частоты 1000 Гн не должно превышать ±1.0 дБ. Коэффициент гармоник при номинальном выходном напря- жении не должен превышать 0,5 %. Напряже- ние собственного шума и фона, приведенное ко входу, не должно превышать: в диапазоне частот 20...50 000 Гц — 3 мкВ, а в диапазоне частот 20...20 000 Гц — 5 мкВ. Активное со- противление соединительных проводов, сое- диняющих испытуемую акустическую систе- му с усилителем мощности, не должно пре- вышать 0,2 Ом. В качестве эталонного образ- ца необходимо использовать акустическую систему высшей группы сложности по ГОСТ 23262—83. Эталонный и испытуемый образцы акустических систем должны иметь возможность поочередного подключения к вы- ходу усилителя мощности с помощью пере- ключающего устройства, обеспечивающего также и синхронное переключение табло с высвечиваемыми условными номерами или символами, присваиваемыми испытуемому и эталонному образцам. Источниками тестовой программы могут быть либо катушечный маг- нитофон высшей группы сложности с номи- нальной скоростью магнитной леиты не менее 19,05 см • с-1 по ГОСТ 24863-81, либо элек- тропроигрыватель высшей группы сложности по ГОСТ 24470—80. Экспертную оценку ка- чества звучания проводят после измерения электроакустических параметров испытуемой акустической системы на соответствие техни- ческой документации. Во время испытаний акустические системы должны быть установ- лены так, чтобы их рабочие оси расплолагались горизонтально на высоте 1,25 м от пола и были сориентированы в точку, находящую- ся в центре зоны размещения группы экс- пертов, которые должны располагаться сим- метрично относительно перпендикуляра, вос- становленного из середины линии, соединяю- щей акустические системы, в стереофоничес- ком режиме или непосредственно перед ними в монофоническом. В стереофоническом ре- жиме расстояние между испытуемой и эта- лонной стереопарами акустических систем должно быть одинаковым и составлять не менее 2,5 м. При этом акустические системы должны быть установлены на расстоянии от боковых стен не ближе 0,5 м и от задней стены не ближе 0,7 м. От экспертов акустические системы должны быть закрыты акустически прозрачным экраном. Влияние экрана не должно приводить к изменению частотной ха- рактеристики по звуковому давлению акусти- ческих систем более чем на 1 дБ в рабочем диа- пазоне частот. Экспертную оценку качества звучания следует проводить при громкости, соответствующей предпочтительным уровням звукового давления 75 или 85 дБ. Требуемый уровень звукового давления устанавливают с помощью шумомера на музыкальных фраг- ментах тестовой программы по пиковым пока- заниям индикатора шумомера (взвешенная кривая А в режиме «медленно»). Микрофон шу- момера устанавливают в центре зоны прослу- шивания. Громкость испытуемой акустичес- кой системы, равная громкости эталонной, устанавливают наслух по указанию экспер- тов с помощью соответствующего регулятора. Эксперты не должны знать, какой условный номер или символ присвоен эталонной акус- тической системе, а какой — испытуемой. Степень предпочтения качества звучания испы- туемой акустической системы по отношению к эталонной оценивают по 7-балльной шкале: минус 3 — значительно хуже; минус 2 — ху- же; минус 1 — незначительно хуже; 0 — равноценно; плюс 1 — незначительно лучше; плюс 2 — лучше; плюс 3 — значительно луч- ше. По результатам экспертной оценки ка- 300
чества звучания каждого фрагмента тестовой программы эксперт отмечает в листке экс перта степень предпочтительности звучания акустической системы с условным номером, на пример, 2 по сравнению с качеством звучания акустической системы с условным номером 1. выставляя для каждого фрагмента программы соответствующие баллы. При проведении экспертной оценки обмен мнениями между экспертами запрещен. Форма листка экспер- та приведена в табл. 11.1 Таблица 111. Листок эксперта № оценки степени предпочтительности по качеству звучания образца акустической системы с условным номером 2 по сравнению с образцом акустической системы с условным номером I Эксперт ______________________________________ подпись инициалы. фамилия дата При экспертной оценке качества звучания акустических систем высших групп сложности можно пользоваться 10-балльной шкалой оценок. Эта шкала определяет точность соот- ветствия качества звучания музыкальных и ре- чевых фрагментов тестовых программ, вое производимых через одну или другую пару акустических систем, естественному звуча нию программы, не искаженному акустичес- ким воспроизводящим трактом. При этом оценка «10 баллов» соответствует естествен- ному звучанию программы, которое лучшим быть не может. Оценка «0 баллов» соответ- ствует звучанию программы, абсолютно не имеющему ни какого сходства с натуральным и уже хуже быть не может. Баллы этой шкалы характеризуются такими понятиями: плохо (2), посредственно (3), удовлетвори- тельно (5), хорошо (7), превосходно (9). Воз- можна оценка звучания и неохарактеризо- ванными баллами (1, 4, 6, 8). Форма листа эксперта для такой шкалы показана в табл. 11.2. Очевидно, что для проведения экс пергной опенки по 10-балльной шкале необ- ходимо привлечение высококвалифицирован- ных экспертов, поскольку в этом случае про- изводится абсолютная оценка качества зву- чания как такового, а эталоном служит естест- венное звучание в том виде, как его восприни- мает и помнит эксперт. Проведение эксперти- зы требует решения достаточно сложных орга- низационных вопросов, связанных с необхо- димостью периодической тренировки экспер- та б л и ц а 11.2, Листок эксперта № экспертной оценки качества звучания акустических систем по 10-балльной шкале Фрагмент тестовой программы Оценка качества звучания образцов АС по условным номерам 1 1 2 Средняя оценка Замечания эксперта __________________________ Эксперт подпись инициалы, фамилия дата тов для поддержания их рабочей формы, и оправдано при решении задач поискового ха- рактера Результаты любой субъективной экспер- тизы. в том числе и по 7-балльной шкале, за- висят от достоверности экспертопоказаний. С целью повышения достоверности в сущест- вующую методику полезно внести некоторые изменения, позволяющие уменьшить разброс экспертопоказаний Во-первых, следует пре доставить экспертам возможность перепровер- ки своих впечатлений о звучании путем пере- ключения воспроизведения данного фрагмен- та тест-программы с одной акустической сис темы на другую в любой момент по своему ус мотрению. Во-вторых, целесообразно ввести по заданному алгоритму, неизвестному экс- пертам. контрольные точки. На таких точках при переключении образцов акустических систем изменяется только обозначение сим волов им присвоенных, а вариант звучания остается неизменным. При обработке резуль- татов экспертизы показание заметности из- менения звучания на контрольных точках ква лифицируегся как грубая ошибка и свидетель ствует о неспособности эксперта выполнять поставленную задачу. Экспертные листки с ошибками на контрольных точках изымаются и не обрабатываются. Как показала практи- ка, введение предложенных дополнений в ме- тодику экспертной оценки качества звучания позволяет значительно повысить ее достовер- ность, ие предъявляя жестких требований к квалификации экспертов на этапе подготовки экспертизы Итоговую экспертную оценку качества зву- чания по 7-балльной шкале следует вычислять по формуле п т 2£ 2- пт где । — 1, 2, ... — номер эксперта; / 1. 2. ... — номер фрагмента тестовой программы; 301
Ни оценка, вынесенная r-м экспертом на /-м фрагменте тестовой программы. Заключение выносят по итоговой оценке в соответствии с таблицей 11.3. Таблица 11.3 Диапазон измерения итоговой оценки (с учетом замены знака) Качество звучания испытуемой АС по срав- нению с качеством звучания эталонной От —3,0 до —0,5 Хуже От —0,5 до -f-0,5 Равноценно От +0,5 до +3,0 Лучше Итоговую экспертную оценку качества звучания и следует вычислять по формулам: п k I п V kt л— 1 «= I Заключение о экспертной оценке качества зву- чания выносят по итоговым оценкам. Качество звучания испытуемого и эталонного образ- цов акустических систем считается равно- ценным, если итоговые оценки Ink отлича- ются между собой не более чем на 0,5 балла. Результаты экспертной оценки оформляют протоколом, форма которого приведена в табл. 11.5. Итоговая экспертная оценка качества зву- чания по 10-балльной шкале вычисляется с помощью средних экспертных оценок качест- ва звучания. Средние экспертные оценки ка- чества звучания и k;. вынесенные i-м экс- пертом. следует вычислять по формулам: т V Hi h -1—!--------, (11-2) /// (11.3) Таблица 11.5 Протокол экспертной оценки качества звучания 1 Испытуемый образец наименование 2. Предприятие-разработчик 3 Эталонный образец по качеству звучания наименование 4. Место н время проведения экспертной оценки _____________________________________ где Ijj — оценка испытуемой акустической системы, вынесенная i м экспертом на /-м фрагменте, kj, — оценка эталонной акусти- ческой системы, вынесенная i-м экспертом на /-М фрагменте. Средние экспертные оценки качества звучания обеих акустических систем, полученные от каждого эксперта и вычислен- ные по формулам (II 2) и (I 1.3), следует сво- дить в табл. 11.4. Таблица 11.4. Сводная таблица средних экспертных оценок качества звучания, выставленных экспертами по 10-балльной шкале Номер листка Средняя оценка качества звучания испытуемой и эталонной акустических систем но условным номерам 1 1 2 3 4 5 6 Итоювая оценка 5. Фамилия и инициалы экспертов 6. Используемая оценочная шкала 7 Замечания экспертов Ь. Заключение_____________________________ Начальник подразделения подпись инициалы, фамилия, дата Исполнитель_________________________________ подпись инициалы, фамилия, дата Конечно, не всегда, особенно в домашних условиях, просто выполнить перечисленные рекомендации, однако из этого не следует де- лать вывод о невозможности оценки качества звучания дома. В этом случае можно руко- водствоваться следующими соображениями. Независимо от группы сложности прослуши- ваемых акустических систем, электрический звуковоспроизводящий тракт должен быть как можно более высококачественным, равно, как и тестовые программы, в качестве которых можно использовать хорошо записанные 302
граммпластинки. Необходимо также изгото- вить коммутационное устройство для пере- ключения образцов акустических систем и де литель для выравнивания громкости их зву- чания, что очень важно при экспертизе. Вы- равнивание громкости звучания должно про- изводиться на входе мощного усилителя. Таб ло с условными номерами можно и не изготов- лять, но желательно, чтобы акустические сис- темы были скрыты от экспертов за акустичес- ки прозрачным занавесом и эксперты не мог- ли бы идентифицировать звучащий фрагмент тестовой программы с акустической системой При выполнении этих минимальных требова- ний можно рассчитывать на получение удов- летворительных результатов. Вследствие ог- раниченности зоны оптимального прослуши- вания для стереофонического режима, а также недостаточности места для размещения четырех акустических систем в домашних усло- виях допускается проведение экспертизы в монофоническом режиме, при котором вместо двух можно использовать по одной акусти- ческой системе от каждой стереопары. Ре- зультаты экспертизы совпадают. Необходимо еще раз подчеркнуть решающее влияние на качество звучания применяе- мого усилителя мощности. В вопросе выбора усилителя сложно сформулировать однознач- ные рекомендации, а потому полезно испытать несколько разных усилителей и приобрести собственный опыт. РАЗДЕЛ 12 ПРОГРАММЫ ДЛЯ МИКРОКАЛЬКУЛЯТОРОВ И ЭВМ ТИПА двк 12.1. КОМПЛЕКС ПРОГРАММ ПО РАСЧЕТУ ЗВУКОВОГО ПОЛЯ И ЭХА ПРИ ЗВУКОФИКАЦИИ Приведем программы расчета для различ- ных типовых случаев звукофикации в двух вариантах: для микрокалькуляторов типа МК-54 (или БЗ-34) и на языке Бейсик приме- нительно к ЭВМ типа ДВК. Расчетные формулы для звукового поля. В основу программ положены следующие фор- мулы и соотношения. 1. Уровень звукового давления (или ин- тенсивности) L 10 1gpc* 2yM + 94 (дБ). 2. Квадрат суммарного звукового давления как арифметическая сумма квадратов звуко- вых давлений, создаваемых каждым громко- говорителем в заданной точке: Реум 2 Pk Л - I 3. Квадрат звукового давления, создавае- мый звуковой колонкой в координатах, при- вязанных к осям колонки (и, v, w) и2 v3/(l— е2) + ш2/(1— е'2) для рупорных громкоговорителей 2 _____________Pi “2___________ Р [«2 + *2/(1-ег2) rW2/(l-e*)]2 Во всех случаях центр координат и, v и w находится в центре источника звука, ось и совпадает с осью громкоговорителя, ось v сов- падает с малой осью отверстия излучателя, ось ic — с большой осью этого отверстия. Ко- ординаты ц, v и uj связаны с координатами помещения или звукофицируемой площадки (х, i/иг), при этом оси хну лежат, как прави- ло. в горизонтальной плоскости на нижием уровне пола, центр координат размещают под одним из громкоговорителей, принятым за ос- новной, ось z вертикальна и проходит через центр этого громкоговорителя. Озвучиваемая поверхность проходит на уровне головы слу- шателя и ее высота в первом ряду принимает- ся равной I м для сидящих и 1,5 м —для стоящих слушателей по отношению к полу (или заменяющей его поверхности). Оси гром- коговорителей направляют на головы слу- шателей, сидящих или стоящих в заднем ряду. Высоту подвеса громкоговрителей гг выби- рают из условия получения заданной нерав- номерности. Угол наклона этой оси а0 к го- ризонтальной плоскости определяют из соот- ношения tg <ХО ==(гг —z-ol/lZ-^o + (/?> где хи — координата по оси х, соответствую- щая проекции точки упора оси и в озвучивае- мую поверхность; у0 — координата по оси у, соответствующая той же точке. При этом ось громкоговорителя развернута по отношению к оси х на угол <р0, определяемый из соотно- шения tg<p0 — уп!х0. Соответственно этим углам координаты и, v и w для основного громкогово- рителя связаны с координатами х, у и г следую- щими формулами: и=(х cos <ро+У sin %) cos а0-|- (гг— г) sina0. t> — (— xsin<j)0 J-ycos<po); ui = (x cos <p01/sin <|,0) sinao—(гг — г) cosa0 . Если проекция, оси громкоговорителя совпа- дает с осью х, то <р„ = 0 и выражения в пер- 303
вых скобах упрощаются, в первой и третьей строчках будет х, во второй у. Если пол плос- кий, то г будет постоянным и равным z0. Если есть подъем пола, то в конце его он обозна- чается как z0, а на первом ряду — как zs Для удобства автоматического счета кривая подъема аппроксимируется экспоненциальной кривой z = Exs. Для получения 5 и Е надо задать координаты одной из промежуточных точек. Обычно задают ее вблизи точки начала амфитеатра (на 1—2 м от этого начала в на- правлении к концу амфитеатра). Точность ап проксимации очень хорошая, и для расчета эта формула пригодна практически во всех случаях. Если задать координаты этой точки как х2 и г2, то •$= lg [(z0 —г3)/(г2 —z3)| lg (х„/х2); £== (г0 —z3)/(x0)s. Для избежания неопределенности типа 0/0 следует выибирать z3 < ги и г2 > г3. Координаты х и у для каждого громкого- ворителя определяются взаимным расположе нием громкоговорителей, т. е. в зависимости оттого, какая система озвучения применяется. Ниже приводятся программы для следую- щих случаев: 1) одиночный громкоговоритель, развернутый в сторону от оси улицы, 2) це- почка таких громкоговорителей, расположен- ных вдоль улицы; 3) два громкоговорителя, расположенные иа сцене и озвучивающие пло- щадку трапецеидальной формы; 4) несколько громкоговорителей, озвучивающие площадку секторной формы (стадион); 5) встречная ра- бота громкоговорителей при озвучении плат- форм и улиц; 6) одиночная цепочка громкого- ворителей для звукофикации широких и длинных объектов; 7) двойная цепочка гром- коговорителей для звукофикации улиц и 8) система громкоговорителей, создающих бе- гущую волну, для звукофикации длинных объ- ектов. Очень часто требуется определить неравно- мерность озвучения, для чего надо найти мак- симальное и мнинимальное значение уровней поля. Когда этих уровней более 20, то необ- ходимо затратить некоторое время на их поис- ки. Поэтому разработана подпрограмма авто- матического определения неравномерности озвучеиия в процессе расчета уровней звуко- вого поля (см. ниже). Эту подпрограмму встав- ляют (через GOSUB 400) в основную про- грамму между операторами PRINTL и NEXT N. Оператору GOSUB надо присвоить промежуточный адрес Кроме того, после оператора NEXT М следует вставить (через промежуточный адрес) L0 — 1.4 — L3: PRINT «L0 = »; а после оператора DIM включить строку исходных уровней ... L3 = INT (200 * LOG (PI/R 0 )/LOG (10 + + 940 • 5)/10 • L4 = L3. Подпрограмма определения неравномерности озвучения 4001.1 —L3—L 410 1FL1 < 0 THEN GOTO 440 420 L3 = L3 — 0.1 430 GOTO 400 440 1.2 =L4—L 450 IF L2 > 0 THEN GOTO 480 460 1.4 =1.4 | 0.1 470 GOTO 440 480 RETURN В конце таблицы уровней получим ответ LZ = (Af, М)дБ После составления программ была пред- ложена более упрощенная подпрограмма для определения неравномерности озвучения. Для этого варианта перед переходом на подпро- грамму следует заменить L3 и L4 на числовые значения; L3 = 120 и L4 40. Сама под- программа имеет вид: 400 IF L (М, N) < = L3 THEN LET L3 = L(M, N) 440 IF L (M, N) > = L4THEN LET L4= = =L (M, N) 480 RETURN Замените в программах 12.4, 12.8; 12.17; 12.21; 12.24; 12.32, 12.39; 12.43. Расчетные формулы для определения нали- чия эха. Определение наличия эха проводит- ся только для зональных систем, так как в рас- пределенных системах эхо сглаживается из-за действия многих источников звука, а в со средоточенных системах оно может быть толь- ко вследствие отражения звуковых волн от различных препятствий. Но этот случай сво- дится к зональной системе, поскольку при отражении звуковых волн от различного рода препятствий появляется мнимый источник звука от препятствия (если оно имеет разме- ры, значительно превышающие длины отра- жаемых звуковых волн). В таком случае (для расчета эха) сосредоточенную систему можно рассматривать как зональную с расстоянием между источниками звука, равным удвоенно- му расстоянию от действительного источника до препятствия. Как следует из общего положения, в зо нальной системе учитывают только взаимо- действие соседних источников звука, посколь- ку действие остальных источников считается пренебрежима малым. Рассмотрим следующие случаи образова- ния эха в зональных системах: 1) при встреч- ной работе двух громкоговорителей, 2) при работе прямолинейной зональной системы, когда оси излучателей перпендикулярны линии цепочки и 3) такой же системы, но когда оси излучателей наклонены к линии цепочки. Для пространственных зональных систем эхо определяется очень просто (см. разд. 8.3). Для всех упомянутых систем разность ходя прямого и запаздывающего звуков оп- ределяется из формулы Дг = г2 — rt = (xl + yl + (гг—г)2)|/2 — -(^? + l/? + (Zr-z)2),/2. 304
где индекс 2 относится- к запаздывающему звуку, а I — к прямому. Обычно координата г считается постоянной величиной (z = 1 или z = 1,5 м). Для встречной работы (и от- ражения от препятствия) координата у оди- наковая для прямого и запаздывающего зву- ков, а х2 = Ь — х,, где b — расстояние меж- ду излучателями. Во втором случае считаем ось у направ- ленной по линии цепочки, поэтому координа- та х будет для всех излучателей одинаковой, а координата у (если считать, что мешают толь- ко два соседних громкоговорителя) для одного будет d + у, а для другого d — у, где d — расстояние между громкоговорителями (шаг цепочки). Чтобы не усложнять расчеты, пола- гаем, что оба мешающих громкоговорителя находятся от слушателя на одинаковом рас- стоянии по координате у = d и соответствен- но создают одинаковые уровни запаздываю- щего звука. Поэтому суммарный уровень запаздывающего звука увеличится на 3 дБ по сравнению с одним мешающим громкого- ворителем На самом деле ближайший гром- коговоритель будет создавать больший уро- вень, чем удаленный, но разность хода пря- мого и запаздывающего звуков для ближайшего громкоговорителя будет меньше, чем для удаленного. Это и дает право считать их равномешающими. В третьем случае ось х направляют по ли- нии цепочки, поэтому все у будут одинаковыми, а х2 = Xi + d Разность уровней прямого и запаздываю- щего звуков определяют для звуковых коло- нок из формулы AL=101g(p2/p2) = «2 + vfl(\ + l0'S «1 + v“/(! — /(1—е“) где ut v и w определяются по координатам х, у и (zr — z), для рупорных громкоговорите- лей AL=101g (р?/р|) = tMi(n| + vf/(l—eg) + tf^/(l—е|))р *°lg [«а(«?— e|))J2 Сопоставляя разности хода и разности уровней из рис. 2.21, можно найти, будет ли эхо неза- метным, слышимым, заметным или мешаю- щим (зоны 0 — IV). В соответствующие про- граммы расчета вводятся эти аппроксимирую- щие формулы. Обычно для речевых передач определяют только перепад уровней прямого и запазды- вающего звуков, требуемый для того, чтобы эхо не снижало разборчивости речи. Соответ- ствующие значения его Д/.тр = / (Аг) при- ведены на рис. 10.3, а числовые — в табл 12.1. Расчетная формула для негр имеет вид ЛБ1р (80 1g Аг)/3 — 38. Таблица 12.1 Перепад уровней прямого и запаздывающего звука в зависимости от нх разности хода Дг. м Д£, дБ Аг, м Лб. дБ Дг. м Д£, дБ а) отсутствие мешающего эха 20 —3,3 140 19,2 260 26,4 40 4,7 160 20,8 280 27,3 60 9,4 180 22,0 300 28,1 80 12,8 200 23,4 320 28,8 100 15,3 220 24,5 340 29,5 120 18,4 240 25,5 б) при незаметности эха 20 2,5 140 32,1 260 41,5 40 13 160 34,1 280 42,6 60 19,2 180 35,9 300 43,6 80 23,6 200 37,5 320 44,6 100 27 220 38,9 340 45,6 120 29,7 240 40,3 Для музыкальных передач рекомендуется ориентироваться на заметность эха В этом случае требуемый перепад уровней ДТтр = 35 lg Аг — 43 Определив фактический перепад уровней, вычитают его из требуемого. Отрицательное значение этой разницы показывает, на сколько можно уменьшить фактический перепад уров- ней прямого и запаздывающего звуков. Примечание к программам иа микрокаль- куляторе МК-54. Для ввода данных в память калькулятора, как правило, принято следую- щее распределение ее. Звуковое давление гром- коговорителя на расстоянии 1 м от центра вводится в хПО, текущие координаты х, у, г соответственно вводятся в хП4, хП5, хП6. высота подвеса громкоговорителя zr — в хП7, эксцентриситет в вертикальной плоскос- ти ев — в хП8, а в горизонтальной еГ — в хП9, координата точки упора оси громкого- ворителя в озвучиваемую поверхность по оси хх0 — в хП1, координата упора той же оси по оси уу0 — в хП2 (только для громко- говорителей, оси которых развернуты по от- ношению к оси объекта), координата точки упора по оси z z0 — в хП6, расстояние между громкоговорителями в цепочке d—в хПд, рас- стояние между громкоговорителями по длине Ь — в хП2, если она свободна. Вывод данных: квадрат звукового давления р2 — в Пха, уровень (дБ) L — в Пхс, координата по оси громкоговорителя в Пхв. Остальные данные помещаются в свободные ячейки памяти. Во всех случаях расчета принято, что высота озву- чиваемой поверхности на первом ряду z8 рав- на 1 м для сидящих слушателей и 1,5 м — для стоящих. Обозначение шагов микрокаль- кулятора приведено в начале справочника Примечание к программам иа языке Бей- сик. Почти все обозначения для этого языка 305
взяты те же, что и для программы на микро- калькуляторе МК-54, но с заменой строчных букв прописными и с выносом цифровых ин- дексов в строку. Например, bt заменяется В1. Исключение составляют следующие обозна- чения: ев = El, ег = Е2, р2 = Р2, zr = = Z1, а0 = А0, <р = F, <р0 = F0. Все программы начинаются с ввода чис- ловых данных озвучиваемого объекта и гром- коговорителей, но если надо вывести их на пе- чать с результатами расчета, то первой стро- кой будет название программы с командой NEW и нумерованной строкой, например: 10 OPEN «LP» FOR OUTPUT AS FILE it 12. Следующей строкой идет оператор DAT А с числовыми данными и за ней — оператор READ с буквенным обозначением этих данных (координаты ХО, У0, Z, Zl, Z0; Z2, Z3, Х2, а также расстояние D между громкоговорителя- ми) и данные громкоговорителей: эксцентри- ситеты £1 и £2. звуковое давление на рас- стоянии 1 м от громкоговорителя Р1 и иногда число громкоговорителей К.1. Далее идет строка, например DIML (5, 4), с размерностью точек, для которых надо рас- считать уровни. Во всех программах первое число соответствует числу строк в таблице уровней, т. е. числу линий, параллельных од- ной из горизонтальных осей (х или у). Второе число соответствует числу столбцов таблицы уровней, т. е. числу линий, перпендикулярных первым линиям. Число столбцов обычно огра- ничено тем, что ДВК имеет 5 зон, и поэтому оно не превышает 5. Число строк может быть любым, ио обычно его берут не более 5—6, так как брать больше 30 точек расчета нет смыс- ла — изменение уровней обычно не столь ве- лико, чтобы брать много точек. В следующих строках даются разные заме- ны: ряд разностей величин, используемых несколько раз; замена часто используемого множителя 10 через С и слагаемого 10 х X 94 + 0,5 = 940,5 через Р. После этих за- мен идут строки с определением углов накло- на АО и F0 Затем идет строка с приближенным определением уровня L3 в удаленной точке, что необходимо для автоматического определе- ния иеравномериости озвучения Этот уровень находят для одного громкоговорителя на рас- стоянии 1/ХО2 + F02 от него. Округление с точностью до 0,1 дБ. Для этого использован оператор INT с множителем 10 и добавкой 0,5 для округления до ближайшего значения десятых. Так как в ряде компьютеров нет десятичного логарифма, то введен делитель LOG10 = LOGC. Для вычисления уровня есть слагаемое 94, которое, умноженное на 10 с добавкой 0,5, дает 940,5-=Р. Для определения неравномерности надо иметь два исходных значения, поэтому введено второе значение L4, равное L3. По другому варианту подпрограммы L3=120 и L4 40. Далее идет переход на подпрограмму, пред- назначенную для печатания головки таблицы (под адресами 500 550) Затем дается нуме- рация строк таблицы, обозначаемая буквой М, и за ней координата, соответствующая ли- ниям по М. Эта координата округляется с точ- ностью до 0,1 м и после нее ставится точка с запятой, чтобы не занимать основные 5 зон, предназначенных для уровней. За ней сле- дует оператор PRINT для вывода на экран или печать значения этой координаты. Если надо чтобы данные были выведены иа печать, то после оператора PRINT надо дать знак файла 4± и номер его (он тот же самый, что и в первой строке программы). Далее идет строка с нумерацией столб- цов и координатной линией по Л' Если гром- коговорителей больше одного, то вводится подпрограмма для определения координат U, V и IF, за которым следует определение сум- марного квадрата давления р2 от всех гром- коговорителей. Заметим, что для суммирова- ния квадратов давления в каждой точке перед определением координат надо обнулить на- ходящееся в памяти машины значение суммар- ного давления для предыдущей точки, для чего введена строка Р2 = 0, а для суммирова- ния его в формулу квадратов давлений вводят значение Р2 от предыдущего громкоговори- теля. По суммарной величине квадрата звукового давления находят уровень с точностью до 0,1 дБ, как и в предыдущем случае при опре- делении приближенного значения уровня зву- кового поля Значение уровня выводится на экран дисплея или на печать, как и значения координат, т. е. с файлом #N. После значе- ния уровня ставят запятую, чтобы распола- гать значения уровней в соответствующих зо- нах. Затем следует переход на подпрограмму для определения неравномерности озвучения (адреса 400—480). Суть этих операций заклю- чается в уравнении L3 и L4 с уровнями зву- кового поля путем приближения их через 0,1 дБ, после окончания расчета £3 будет равно наименьшему значению уровня, а £4 —наибольшему. Разность их дает не- равномерность озвучения с точностью 0.1дБ. Это значение выводится на дисплей или на печать внизу таблицы уровней. После их операций следует закрыть канал печати CLOSE и дать команду STOP или END Заметим, что большинство программ со- ставлено для определения уровней от зву- ковых колонок, кроме случаев цепочки гром- коговорителей с развернутыми осями и соз- дающих «бегущую» волну. Они отличаются одной строкой расчета суммарного квадрата звуковых давлений соответственно исходным формулам, приведенным в начале раздела (см. строку с адресом 300 в табл. 12.8. а и б, в первой приведена программа для рупор- ного громкоговорителя, а во второй — для звуковых колонок). В программах расчета эха начало их мало отличается от основных программ. Только исключаются данные о звуковом давлении громкоговорителя, так как оно нейтрализу- ется (считают, что все громкоговорители 306
Таблица 12.2. Программа расчета звукового поля иа микрокалькуляторе МК-54 для одного громкоговорителя, повернутого на угол <р к оси площадки 00 Пх2 15 Пхб 30 Пхд 45 Пхд 60 X 75 1 Ввод: 01 Пх1 16 — 31 Пхв 46 Пхв 61 — 76 0 хо хП1 Уо хП2 02 17 хПд 32 кос 47 сии 62 X2 77 X X хП4 у хП5 03 атг 18 Пх1 33 X 48 X 63 1 78 9 Z хП6 zr хП7 04 хПс 19 X2 34 — 49 + 64 Пх9 79 4 хП8 хП9 05 сии 20 Пх2 35 х‘“ 50 хПв 65 X2 80 Р1 хПО 06 Пх5 21 X2 36 1 51 X2 66 — 81 хПс 07 X 22 — - 37 Пх8 52 Пх5 67 82 с п Вывод 08 Пхс 23 У' 38 X2 53 68 + Пха Р2 Пхс L дБ 09 кос 24 39 — 54 Пхс 69 ПхО 10 Пх4 25 атг 40 ПхЗ 55 кос 70 х2*) * Для рупорных громкоговори- И X 26 хПв 41 56 X 71 телей между адресами 69 и 12 + 27 СИН 42 Пхв 57 Пхс 72 i 'х 70 надо вставить Пхв и X и 13 хПЗ| 28 ПхЗ 43 кос 58 СИН 73 хПа поменять местами х2 и :. 14 Пх7 29 X 44 X 59 Пх4 74 лг одинаковы). Для каждой расчетной точки определяют расстояние от двух соседних громкоговорителей (RI и R2). Для каждого громкоговорителя находят квадрат звуко- вого давления, создаваемый в каждой точке (РЗ и Р4)*. По отношению расстояний нахо- дят допустимую разность уровней L2, а по соотношению квадратов давлений — факти- ческую разность уровнен L3. Разность этих уровней дает запас по уровню в отношении эха (соответствует отрицательному значению разности). Таковы общие данные о содержа- нии программ, ряд особенностей программы для частных случаев будет дан позднее при рассмотрении этих случаев. Все программы по возможности унифицированы, но с целью сокращения длины строк (по условиям пе- чатания программ каждая строка должна не иметь больше 45 знаков) ряд операций поме- щен в одну строку с разделом их двоеточием (в ДВК обычно используют наклонную черту ' .). Все программы имеют примеры для тех чис- ловых данных, которые помещены с опера- тором DATA. Рекомендуется, прежде чем рас- считывать уровни для своих данных, провес- ти счете данными, приведенными в программе, и сравнить полученные результаты с приве- денными в наших таблицах, только после это- го заменить наши числовые данные своими и проводить расчет уровней для своего примера. Заметим, что для рупорных громкоговори- телей уровень под ними всегда очень мал, и поэтому неравномерность озвучения получа- ется большой. Поэтому рекомендуется рассчи- тывать уровни для линии N с номерами не от 1, а от 2. В приведенных программах используется оператор LET. В ДВК он опускается. Рассмотрим конкретные случаи системы озвучения. *Для упрощения расчета вместо квадра- тов давлений берут обратные величины и сокращают величины Р1. 1. Одиночный громкоговоритель, располо- женный под углом ср - arctg (у0/х0) к оси площадки (рис. 12.1). В этом случае коорди- ната х представляет собой расстояние по го- ризонтали от точки под громкоговорителем в направлении вперед от него до данной точки, а координата у — отклонение от оси х. Для расчета обычно берут три-пять значений х от х 0 до х„ и три-пять значений у от у = О до у = й/2, где b — ширина площадки. Пример расчета на МК-54 по программе, приведенной в табл. 12.2. Задано: озвучить площадку длиной 20 м и шириной 6 м. Громкоговоритель расположен в углу площадки под углом к ее оси. Площадка не имеет подъема, слушатели стоят. Соответ- ственно этому имеем исходные данные: хп = 20. уи - 3, г„ = г 1.5. Выбираем рупорный громкоговоритель с высотой подвеса гГ 8 м, его направленность Рис. 12.1. Положение одиночного громкогово- рителя для озвучения 307
Рис. 12.2. Расположение цепочки громкоговорителей вдоль улицы характеризуется эксцентриситетами ев = 0,95 и ег = 0,77 Максимальное звуковое давление на расстоянии I м по оси рг = 10 Па. Точки расчета берем по оси дг: 0, 5, 10, 15 и 20 м, а по оси у: 0,3 и 6 м. Результаты расчета приве- дены в табл. 12.3. Таблица 12.3. Уровни звукового поля X. м L, дБ. для у, м 0 3 6 0 5 10 15 20 Приме коговори! равна 88, 68 81,9 87,6 88,6 87.2 ч а н н е. ЕсЛ1 елем (х<5), т< 9—81,4=7,5 дБ 69,5 82 87,9 88,9 87,5 исключить 3< неравноменр 69,9 81,4 86,4 87,9 86,9 >ну под гром ость озвучения Пример расчета на ДВК по программе, приведенной в табл. 12 4, по данным, ука- занным на самой программе для звуковой ко- лонки. Расчетные данные уровней приведены в табл. 12.5 2. Цепочка громкоговорителей, располо- женных по длине улицы (оси громкоговори- телей развернуты по отношению к оси ули- цы на угол <р0). Пример расчета уровней звукового поля на микрокалькуляторе МК-54 по программе, приведенной в табл. 12.6. Исходные данные, за исключением ев и ег. те же. что и для одиночного громкоговори- теля (дг() — 20, уи — 3, г ~ 1,5, гг = 8, ев = 0.995, еГ 0,95, = 10 Па). Расстояние между громкоговорителями (звуковыми ко- лонками) а 20 м (рис 12 2) В расчете учитывается взаимоде ствие только двух гром- коговорителей. так как действие остальных к полезному уровню ничего не добавляет, а может быть только помехой в виде эха Ре- зультаты расчета сведены в табл 12.7 Пример расчета на ДВК по программе, приведенной в табл 12.8, о и б, там же при ведены исходные данные в DATA, Z = Z0 = = Z3. В расчете учитывается только два гром- Таблица 12.4. Программа расчета звукового поля на языке Бейсик для одиночного громкоговорителя, расположенного под углом к оси обеъкта 10 НЕИ "NAME ODIN" 20 DATA'20,3, 1.5,0, .95. .9. 10 30 READ ХО,YO,Z,Z1,Е1,Е2,Р1 40 DIM L(3,5>1 LET C-101 LET P-94O.5 45 LET R-SQR <XO«XO+YO»YO> 30 LET L3-INT <2OO*LN (P1/R1/LN C*P>/С 40 LET L4-L31 00 SUB 500 40 LET Z4-Z1-Zi LET AO-ATN <Z4/R1 100 LET FO-ATN <YO/XO> .110 FOR M=1 TO 5 ,120 LET X-XOXM-11/4 *130 LET Xl-INT <C*X+. 51/Ci PRINT XI] 140 FOR №1 TO 5 150 LET Y-YOXN-D/2 •140 LET X3=X»C0S FO*Y*SIN FO fl45 LET U-X3-C0S A0*Z4»SIN AO '170 LET V-V-COS FO—X*STN FO 100 LET №X3*SIN AO-Z4»COS AO 190 LET O1-U»U 200 LET O2=V»V/<1-E2»E2> 210 LET O3=W«W/<i-El»E1> 220 LET P2-P1»P1Z<01*02»03> 230 LET L-INT <1OO»LN P2/LN C+Pl/C 250 PRINT L,l DO SUB 400 240 NEXT N 270 NEXT И 200 LET LO-INT.<C«CL4-L3-O.11>/C 290 PRINT "LO-"|LO1 GO TO 790 400 LET L1-L3-L 410 IF LKO THEN BO TO 440 420 LET L3-L3-.ll GO TO 400 440 LET L2-L4-L 450 IF L2>0 THEN GO TO 400 440 LEI L4—L4+-11 GO TO 440 4BO RETURN 500 PRINT "••,"L.dB PRI Y,«" 520 PRINT "X.ni- 530 FOR N—1 TO 5 533 LET Y-YO*(N-l>/2 540 LET Yl-INT <C»Y*.5»/Ci PRINT Y1, 540 NEXT N 500 RETURN ”90 STOP Примечание Z Z Z 3 308
Таблица 12.5. Уровни звукового поля X. м дБ. для у. м 0 I .5 3 4, 5 6 0 88 88 87,7 87,2 86,6 5 89,7 89,7 89,4 88,8 88 10 90,1 90,3 90,1 89,5 88,7 15 89 89,3 89,2 88,8 88,2 20 87,2 87,4 87,5 87,3 86,9 Неравномерность озвучения равна 90,3- 86,6=3,7 дБ. коговорителя. Расчетные данные приведены в табл. 12.9. Заметим, что эти программы используют только при расстояниях между громкоговори телями не менее 20 и не более 40 м. Для рас- стояний менее 20 м надо пользоваться расче- том для распределенной системы, т. е. учиты- вать действие всех громкоговорителей цепоч- ки, а при расстояниях более 40 м учитыва- ется действие только одного громкоговори- теля, так как все другие будут только ме- шающими. Рассчитаем для данного случая возмож- ность появления эха. Программа расчета на Таблица 12.7. Уровни звукового поля х, м L (М. М), дБ. для у, м: 0 3 6 0 87,4 87,9 87,1 10 85,4 85,6 85,3 20 87,2 87,8 86,9 Неравномерность L0=2,6 дБ. Таблица 12.8а. Программа расчета звукового поля на языке Бейсик для цепочки звуковых колонок, оси которых развернуты под углом к оси объекта 10 REN NAME СЕРОСН RAZ 20 DATA 20,5,1.5,6,20,.905,.93,10 30 READ XO,YO,Z,Z1,D,E1,Е2,Р1 40 LET C-Ю: LET P>940.5: DIM L(3,5) 45 LET R-SQR I XO*XO*YO*YO) 50 LET L3»INT (20Q»LN (P1/R)/LN C*P)/С 60 LET L4-L3: LET Z4-Z1-Z 80 LET AO-ATN (Z4/R) 90 LET FO«ATN (YO/XO): GO SUB 500 100 FDR M«1 TO 5 11O LET Y-YOXM-D 120 LET Yl-INT (C*Y+.3)/Ci PRINT Y1j 130 FOR №1 TO 5 140 LET X«D»(N“l)/4: LET P2=0 160 GO SUB 240 170 LET X-X+D: SO SUB 240 190 LET L=INT (100*LN P2/LN C+Pl/C 200 PRINT L,i GO SUB 400 210 NEXT N 220 NEXT M 230 LET LO=INT (C*CL4-L3-O.1))/С 235 PRINT ,,LO«,,|LOi GO TO 690 240 LET X3-X*CDS FO+Y«SIN FO 245 LET U-X3»C0S AO+Z4»SIN «0 250 LET V«Y*COS FO-X*SIN FO 260 LET N—X3*SIN A0-Z4*C0S AO 270 LET Q1-U«U 280 LET O2»V»V/(1-E2*E2) 290 LET Q3~W«W/(1-E1«E1) 300 LET P2=P2*P1»P1/(Q1+Q2+Q3) 310 RETURN 400 LET L1»L3-L 410 IF L1<O THEN GO TO 440 420 LET L3=L3-.1: GO TO 400 440 LET L2=L4-L 450 IF L2>0 THEN GO TO 480 460 LET L4=L4+.l: GO TO 440 4БО RETURN 500 PRINT ","L,dB PRI X,dB“ 520 PRINT ’’Y.m" 530 FOR N=1 TO 5 340 LET X=D*CN-l)/4 545 LET X=INT (C»X+.5)/Ci PRINT X, 550 NEXT N 560 RETURN 690 STOP Примечание. Z = Z Z3. Таблица 12.6. Программа расчета звукового поля на МК-54 для цепочки громкоговорителей, оси которых развернуты на угол фк оси объекта 00 Пх2 20 X 40 х2 60 : 80 син Ввод: 01 Пх1 21 9 41 Пх2 61 ПхЗ 81 Пх4 х0 хП1 у0 хП2 02 22 4 42 X2 62 Пхв 82 X х хП4 у хП5 03 атг 23 4- 43 + 63 кос- 83 — z хП6 z(. хП7 04 хПс 24 хПс 44 у- 64 X 84 X2 Pj хПО <1 хПд 05 ПП 25 С 11 45 65 Пх7 85 Пх9 (1 с2) хП8 06 26 26 Пхс 46 атг 66 пХ6 86 (1 — с2) хП9 07 хПа 27 СИН 47 хПв 67 — 87 + Вывод: 08 Пх4 28 Пх5 48 СИН 68 Пхв 88 ПхО Пха р2 Пхс 1. дБ 09 Пхд 29 X 49 ПхЗ 69 син 89 х2*) 10 + 30 Пхс 50 X 70 X 90 *> Для рупорных громкого 11 хП4 31 кос 51 Эх7 71 + 91 1 X ворителен между адреса 12 ПП 32 Пх4 52 Пхб 72 хПв 92 в 0 ми 89 и 90 надо вставить 13 26 33 X 53 — 73 х2 Пхв и X н поменять ме- 14 Пха 34 Ч- 54 Пхв 74 стами X2 н 15 + 35 хПЗ 55 кос 75 Пхб В каждом счете х наби- 16 хПа 36 Пх7 56 X 76 Пхс рать заново! 17 лг 37 Пхб 57 —. 77 кос 18 1 38 — 58 X2 78 X 19 0 39 Пх 1 59 Пх8 79 Пхс 309
Таблица 12.86. Программа расчета звукового поля на языке Бейсик для цепочки рупориых громкоговорителей, оси которых развернуты под углом к оси объекта 10 REM NAME CEPDCH RAZ.RUP.GR. .„ 20 DATA 20,3,1.5,6,20,.9Й5,.96,10 30 READ XO,VO,Z,Zl,D,El,E2,P1 40 LET C=10: LET P=940.5: DIM LIS,5) 45 LET R-SQR (XO»XO+VO*YO) 30 LET L3=INT (200+LN (P1ZR1ZLN C+P>ZC 60 LET L4=L3: LET Z4=Z1-Z SO LET AO=ATN (Z4ZR> 90 LET FO«ATN (VOZXO): GO SUB 500 100 FOR M=1 TO 5 110 LET Y=V0»(M-l)Z2 120 LET Y1=INT (C»V+.5>ZC: PRINT Yl; 130 FOR N=2 TO 5 140 LET X=D*(N-I)Z4: LET P2=0 160 GO SUB 240 170 LET X=X+Oi GO SUB 240 190 LET L-INT (100»LN P2ZLN C+P1ZC 200 PRINT L,1 GO SUB 400 210 NEXT N 220 NEXT M 230 LET L0-1NT (C»(L4-L3-0. 1) l.'C 233 PRINT “LO«"1LO: GO TO 690 240 LET X3-X»C05 FO+Y*BIN FO 245 LET U“X3»CDS AO+Z4»S1N AO 250 LET V-Y»COS FO-X»SIN FO 260 LET W“X3»SIN AO-Z4»COS AO 270 LET 01“U»U 260 LET 02“V+VZ (1-E2»E21 290 LET 03«W*WZ(1-E1+E1> 300 LET P2«P2+(P1«UZ(O1+O2+C31 310 RETURN 400 LET L1“L3-L 410 IF Ll<0 THEN GO TO 440 420 LET L3=L3-.1: GO TO 400 440 LET L2=L4-L 430 IF L2>0 THEN BO TO 480 460 LET L4“L4+.l: GO TO 440 480 RETURN 500 PRINT ","L,dB PRI x,dBr 520 PRINT "Y,m- 330 FOR N=2 TO 5 540 LET X=D»(N-1)Z4 545 LET X=INT (C»X+.5)ZC: PRINT X, 330 NEXT N 560 RETURN 690 STOP Примечание. Z —Z. -Z3. Таблица 12.9. Уровни звукового поля М /- (Л/, Л'). дБ, для х. м <1 5 10 15 | 20 а) для звуковых колонок 0 88.9 88,2 89,4 88,5 86,8 5 89,4 89,3 89,8 89,7 88,2 К) 87,1 87 87,1 87 86.5 15 84,2 84.4 84,4 84,3 84, 1 20 81,7 82 82,1 82,1 82 неравномерность 7.0 — 8,1 дБ бJ для рупорных громкоговорителей //, м L (М, ЛГ), дБ, для х, м * 10 15 20 0 82,9 85 85,9 84,6 2,5 84,9 87,2 88,7 87,1 5 85,7 86,8 88,9 88 7,5 85.2 85,2 86,8 86.9 10 83,6 83,5 84,3 84,8 неравномерность L0 ~ 6 дБ МК 54 дана в табл. 12 К), а на ДВ К — в табл. 12.12. Данные расчета: х„ = 20, у„ 3, z 1,5, г,, 8, ев — 0,995, еГ = 0,95, d = 40; х = 10, 20, у = 0,3 и 6. Расчетные данные для разности хода зву- ковых волн и разности уровней приведены в табл. 12.11, а Согласно табл 12.1 и рис. 8.3 эхо почти во всех точках не будет мешающим Определим запас по уровню в отсутствие мешающего эха (для звуковых колонок). Зна- чения запаса (в децибелах) приведены в табл. 12.11.6. Если для звуковых колонок уменьшить вы- соту подвеса до 5 м, то помехи не будет и под самими колонками (вместо 1,3 будет — 1,2 дБ) Таблица 12,10. Программа расчета эха для цепочки громкоговорителей по длине объекта с развернутыми осями в сторону от оси объекта а) Определение разности хода звуковых волн hr от двух соседних громкоговорителей и допустимой разности уровней на пороге мешания 00 Пх7 06 12 + 18 У' 24 X 30 хПО 01 Пхб 07 В 13 У“ 19 25 3 31 с п 02 — 08 Пхд 14 X — X 20 хПЗ 26 03 X2 09 Пх4 15 Пх4 21 лг 27 3 04 Пхб 10 16 X2 22 8 28 8 05 X2 11 X- 17 *Г-- 23 0 29 — Ввод: (1 х11д Вывод ПхЗ Лг ПхО ALM X хП4 у хП5 хП6 г г хП7 310
в) Unped 'вление записи в превышении допустимого уровня мешания °0 Пх2 20 хПс 40 X2 60 X2 80 X °1 Пх1 21 ПхО 41 11x2 61 — 81 Пхс 02 22 — 42 х- 62 82 СИН 03 ат г 23 /—/ 43 63 х —у 83 Пх4 04 хПс 24 хПс 44 V 64 Пхв 84 X 05 ПП 25 с. II 45 65 кос 85 — 06 26 26 Пхс 46 ат г 66 X 86 X2 07 хПа 27 СИН 47 х! 1в 67 Пх7 87 1 08 Пх4 28 Пхб 48 СИН 68 Пхб 88 Пх9 09 Пхд 29 X 49 X 69 — 89 X2 К) -1- 30 Пхс 50 Пх7 70 Пхв 90 — 11 хП4 31 кос 51 Пхб 71 СИН 91 12 ПП 32 Пх4 52 — 72 X 92 —— 13 26 33 X 53 Пхв 73 • 93 в/о 14 Пха 34 54 кос 74 хПв 15 35 В 55 X 75 X2 16 лг 36 Пх7 56 76 17 1 37 Пхб 57 X2 77 Пхб 18 0 38 — 58 1 78 Пхс 19 X 39 Пх1 59 Пх8 79 кос Ввод: alm хПО d хПд Вывод: Пхс ALaau дБ хП1 Уо хП2 Аг хПЗ X хП4 у хП5 Z хП6 * Для рупорных громкоговорителей 7.г хП7 ев хП8 ег хП9 следует заменить: 93 хПв 94 : 95 х2 96 в/о Примечание. Обычно х0- d. В каждом счете следует вводить х заново, Лг и ALM вводят из предыдущей программы. Таблица 12.11а. Данные расчета ДО, дБ. для х. м V. м 0 10 20 0 1.3 - 5,60 —и 3 1,1 —5,9 —11,6 6 0,6 —5,8 -10,9 Таблица 12.116. Данные расчета V. М для X. м 0 о 20 0 2,85/34,02 4,28/38,49 4,52/39,32 3 2,66/33,48 4,19/38,21 4,48/39,14 6 2,18/32,12 3,95/37,43 4,36/38,75 Примечание. В числии-ле ралиость уровней (дБ), в знаменателе — разность хода (м>. Пример расчета эха на ДВК-2 для тех же данных, что и для МК-54. Данные выписаны на самой программе (см. табл. 12.12). Результаты расчета приве- дены в табл. 12.13. Для звуковых колонок мешающее эхо бу- дет только под колонками, ио очень малое. Если взять меньшую направленность в вер- тикальной плоскости, то его не будет (взя- та очень большая направленность Е1 = = 0,995, а обычно Е1 = 0,985). Для рупорных мешающее эхо есть только под громкоговорителями и большое, что объясняется неточностью приближения для углов излучения близких к 90“. На самом деле это приближение будет действительно только на высоких частотах, а на низких будет бубне- ние из-за излучения низких частот под углом 90'. 3. Два громкоговорителя, озвучивающие площадку трапецеидальной формы. В этом случае громкоговорители располагают над рампой сцены по краям последней (см. рис. 12.3). Рекомендуемое расстояние между громкоговорителями составляет 0,6 ширины партера у сцены. Оси громкоговорителей раз- вертывают так, чтобы соблюдалось соотноше- ние Ьи/Ь{ = d0/dt, где Ьо — ширина последнего ряда: Ь{ — ширина первого; 2d] — расстояние между громкоговорителями; 2d0 — расстоя- 311
ние между концами осей громкоговорителей. При таком условии координата у0 = (du — dj). Удобнее располагать ось х по оси площадки, ось у по рампе сцены, тогда ординаты для одного громкоговорителя по отношению к ор- динатам для другого будут отличаться только знаком «минус». По оси х берут пять точек на равных расстояниях друг от друга, по оси у берут точки только с одной стороны, так как другая сторона симметрична первой Точки выбирают следующим образом: первая берет- ся на оси площадки, третья на проекции оси громкоговорителя, вторая посередине между первой и третьей точками, четвертая берется иа таком же интервале, как и между первыми тремя. Такой интервал будет определяться из выражения So (d^-xyn/Xj) 2, d^d. Пример расчета на микрокалькуляторе МК-54 уровней звукового поля для площадки трапецеидальной формы. Задано. Размеры площадки: длина х0 = 20 м, ширина у сцены ft; 10 м. ширина в конце площадки Ьо 20 м. Пол имеет, подъем, начиная с 15 м от сцены; в конце он на 3 м выше, чем у сцены. Так как слушатели сидят, то озвучиваемая поверхность у сцены г3 = 1 м, а в конце площадки г„ 4 м на ,rs — 16 м от сцены г2 = 1,5 м. Площадку озвучивают двумя i ромкогово- рителями (звуковыми колонками). Звуковое давление иа расстоянии 1 м составляет 10 Па. эксцентриситет -- 0.995, ег 0,95. Ко Рис. 12.3. Расположение двух громкоговори- телей для озвучеиия площадки трапецеидаль- ной формы Таблица 12.12. Программа расчета эха для цепочки громкоговорителей, оси которых развернуты под углом к оси объекта 10 REM NAME СЕРОСН RAZ.RUP.GR^ 20 DATA 20,5,1.5,6,20,.965,-95,10 30 READ XO,YO,Z,Z1,D,E1,E2,P1 40 LET OlOl LET P=940.5: DIM LIS,5) 45 LET R=SQR (XO»XO+VO»YO> 50 LET L3=INT (200»LN (Pl/RI/LN C+Pl/C 60 LET L4=L3: LET Z4-Z1-Z 00 LET AO-ATN (Z4/R) 90 LET FO-ATN (VO/XO)s BO SUB 500 100 FOR M=1 TO 5 110 LET V=V0«CM-1)/2 120 LET V1«INT <C»V*.5)/C: PRINT VI; 130 FOR N=2 TO 5 140 LET X=D»<N~l)/4: LET P2=0 160 GO SUB 240 170 LET X=X*Di GO SUB 240 190 LET L=INT <1OO*LN P2/LN C*P)ZC 200 PRINT L,i BO SUB 400 210 NEXT N 220 NEXT M 230 LET L0=INT <C»IL4-L3-0.1)>ZC 235 PRINT ”LO»";LO: 60 TO 690 240 LET X3=X»C0S FO*Y»SIN FO 245 LET U=X3»CDS A0*Z4»SIN AO 250 LET V-V«COS F0-X»SIN FO 260 LET W=X3»SIN AO-Z4»C0S AO 270 LET Q1-U»U 280 LET Q2=V»V/<1-E2»E2> 290 LET 03=W«WZ(1-E1»E1> 300 LET P2»P2*(P1*UZ<01*02*031»л2 310 RETURN 400 LET L1-L3-L 410 IF LK0 THEN GO TO 440 420 LET L3-L3-.il GO TO 400 440 LET L2=L4-L 450 IF L2>0 THEN ВО TO 4B0 460 LET L4=L4*.1: GO TO 440 4B0 RETURN 500 PRINT ",“L,dB PRI X,dB« 520 PRINT -V,m- 530 FOR №2 TO 5 540 LET X=D«(N-l)/4 545 LET X=INT <C*X*.5)ZC« PRINT X, 550 NEXT N 560 RETURN 690 STOP Таблица 12.13. Результаты расчета X LI. дБ, для у. м 0 3 6 9 12 а) для звуковых колонок 0 1.3 1,1 0.6 0,1 —0,5 К) —5,6 —5,9 —5,8 —5,3 —4,7 20 -11,7 — 11,7 — 10,9 —9,3 —7,8 30 —7 -7,2 —7,1 -6,6 —6 40 —4.1 —4,1 —4,1 —4 —3,8 б) для рупорных громкоговорителей с высокой направленностью (Е1—0,995) 0 25,8 23,9 22,2 20,6 19,2 10 —2,7 —3,5 —3,2 —2,1 —0,9 20 — 17,5 — 19 — 17,4 — 14,1 — 10,8 30 — 11,6 — 12 -11.7 — 10,8 —9,5 40 -6.3 —7,1 —7 - 6.8 —6,3 312
лоики размещают над сценой иа высоте й м от пола (zr —8 м), расстояние между колонками выбирают равным 0,6 ширины площадки у сцены, т. е. 2d = 6 м. Расчетные точки для уровней берем по 4x4 = 16. По длине берем х = 0; 10; 16; 20; по ширине вследствие симметрии берем только для одной половины площадки на че- тырех направлениях: по оси площадки (у = = 0), по проекции оси колонки, посередине между этими направлениями и сбоку на рав- номерном расстоянии. Координату у соответ- ственно этому определяем из выражения т [ У о Д у =----I---х а , 2 \ хв ) где т — иомер направления (от 0 до Й). Координату у0 (отклонение оси от линии, параллельной оси площадки) находим из равенства Уо — (*o/*i 1) (при этом распределение уровней поля будет более равномерное) Координату г определяем из уравнения z=E-As. Все эти соотношения выражены в програм- мах табл. 12.14а и б Результаты расчета ко- ординат приведены в табл. 12.15. Таблица 12.14. Программа расчета звукового поля иа МК-54 для площадки трапецеидальной формы а) Определи •кие координа! ’ Уо и Z б) Определение координаты у 00 Пх7 15 30 X —' у Ввод: 00 Пх2 X Ввод: 01 Пх8 16 лг 31 1 х0 хП1 01 Пх1 с/п х0 хП! 02 : 17 Пх1 32 X z0 хПЗ 02 13 хП4 Уо хП2 03 Пхд 18 Пхо 33 Пхв х ХП4 03 Пх4 14 БП х хП4 04 X 19 . 34 + 05 Пхд 20 л г 35 хП6 06 — 21 36 с/п 07 хП2 22 Пх1 РВ х 08 ПхЗ 23 хУ с/п 09 Пхв 24 Пхс 37 хП4 10 — 25 38 БП 11 хПс 26 1/х 39 08 12 Пха 27 х — у — 13 Пхв 28 Пх4 14 — 29 хУ в) Расчет уровней звукового поля 00 Пх2 20 9 40 Пх1 01 Пх1 21 4 41 х2 02 . 22 + 42 Пх2 03 атг 23 хПс 43 х2 04 хПс 24 с/п 44 + 05 ПП 25 Пх5 45 у~ 06 25 26 Пхд 46 07 хПа 27 — 47 атг 08 Пх5 28 Пхс 48 хПв 09 / —/ 29 син 49 син 10 хП5 30 X 50 X 11 ПП 31 Пхс 51 Пх7 12 25 32 кос 52 Пхб 13 Пха 33 Пх4 53 — 14 + 34 X 54 Пхв 15 хПа 35 4- 55 кос 16 лг 36 В 56 X 17 1 37 Пх7 57 — 18 0 38 ПхЗ 58 х2 19 X 39 — 59 Пх8 Ьо хП7 bj хП8 х2 хПО z2 хПа z3 хПв d хПд Вывод: Пхб z Пх2 у,, 60 61 X —у 62 Пхв 63 кос 64 X 65 Пх7 66 Пхб 67 — 68 Пхв 69 син 70 X 71 + 72 хПв 73 х2 74 + 75 Пх5 76 Пхд 77 — 78 Пхс 79 кос 04 05 06 07 08 09 10 11 12 РВ 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 83 94 X Пхд + 2 Пх9 X хП5 с/п m хП9 X Пхс син Пх4 X X2 Пх9 + ПхО X2* 1/х в/о 15 00 m хП9 d хПд Вывод: Пх5 у Ввод х0 ХП1 Pi Уо хПО хП2 d Z 1 0 хПд хПЗ Вывод Пха р2 Пхс L дБ х хП4 zr хП7 (1-Ф (1-е2) У хП5 хП8*’ хП9 Z хП6 * Для рупорных громкоговорителей между ад- ресами 90—93 надо заменить иа Пхв X : х2. * * В отличие от других программ вместо е„ и ег вводятся (1—е2 ) и (I1—e2j ) из-за недостатка шагов микрокалькулятора 313
Таблица 12.15. Данные расчета координат X, м Z, м У. м для т 0 1 2 3 0 1 0 1,5 3 4,5 10 I 0 2,25 4,5 6,75 16 1,5 0 2,7 5,4 8,1 20 4 0 3 6 9 Рис. 12.4. Расположение громкоговорителей для озвучения площадки секторной формы (стадионы) В табл. 12.16 приведены расчетные зна- чения уровней (в децибелах) для точек, коор- динаты которых приведены в табл. 12.15. Пример расчета уровней звукового поля иа ДВК по программе, приведенной в табл. 12.17. Данные указаны иа самой программе. Ре- зультаты расчета приведены в табл. 12.18. Таблица 12.17. Программа расчета звукового поля на языке Бейсик для площадки трапецеидальной формы 10 REM NAME TRAPECIA 20DATA20,4.G,16,1.5,1.20, 10 30READX0,Z0,Z1,X2,Z2.Z3hB0,Bl 40DATA3,.995,.95,1И 50READD,El,Е2,Pl 60DIML(6,4)1C-10:P"940.5 70Y0-D*(B0/B1-1) 00R=SQR(X0»X0+Y0*Y0) 90L3=INT(200»LN(Pl/R)/LNC+P)/С 100A0«ATN((Z1-Z01/R) 110L4-L3IF0-ATN(Y0/ХИ) 120Z5=Z0~Z3:Z6-Z2-Z3 130S=LN(Z5/Z6)/LNCX0/X2J 140E=Z5/X0*SxGDSUB450 150FDR№ 1TD6 160Х=Х0»(M-1)/5 170X1=INT(C»X+.5)ZCxPRINT‘XI; 1ВИЗИ»(D+X*Y0/X0)/2 190Z=E»(XAS)+Z3 200Z4-Z1-Z 210FORN=1TO4 220Р2-0» Y-90*(N-l)-D 230SOSUB310 240Y— (D+S0* (N-l) ) 250GOSUB310 260L-INT ( 100*LNP2/LhJC-i-P) /С 270PRINTLiiBOSUB390 2G0NEXTN»NEXTM 290L0-INT(C*(L4-L3-.1))/С 300PRINT’•3PC(20)"L0=";L0j END 310X3-X*COSF0+Y»SINF0 320U“X3«COSA0-*-Z4»S INA0 330V=V *COSF0—X*SINF0 340W=X3*SINA0-Z4*COSA0 35001*U*U:G2=V»V/(1-E2+E2) 360Q3-W+W/(1-E1»E1> 370P2=P2+P1*P1/(01+Q2+Q3) 300RETURN 390L1-L3-L 400 IFLK0GOTO420 410L3-L3-.1IGOTO390 420L2«L4-L 430IFL2>09070450 440L4=L4+.1x BOTO4201 RETURN 450PRINTSPC(25)"L.dfi при N" * 460PRINTSPC(7) 470FORN-0TO3 480PRINTNj1NEX J N:PRINT *”jRETURN 490RETURN Примечание. Z0>Z2>Z3 . S0—- шаг по оси y. 4. Несколько громкоговорителей, озвучи- вающие секторную площадку (см. рис. 12.4). Ряды иа ней расположены по дуге окружности с максимальным радиусом г0; громкоговори- тели — по меньшей дуге радиусом гг В этом случае исходные данные обычно задают в зна 314
Таблица 12 18. Уровни звукового поля L. дБ для N X. м 0 1 2 3 0 80, 1 80,1 80,0 79,9 4 81 81 80,9 80,8 8 82 81,9 81,8 81,6 12 83 83 82,8 82,8 16 84,7 84,6 84,5 84,1 20 88,2 88,5 88.6 87,5 Неравномерность составляет 88,6 79.9—8,7 дБ чеииях радиусов и углов, а координаты х и у являются промежуточными Координата г определяется, как и для площадок с амфи- театром Если отсчет углов вести от левого громкоговорителя, то озвучиваемая зона должна начинаться от угла — ф0/2, где ф0 — угол между громкоговорителями. Переходные формулы от полярных координат к прямо- угольным имеют вид (г^— Rf,, k 0; 1; 2; 3) х - J?cosq> — R}, у 7?sin<p, где ф — угол, для которого проводят изме- рения (в нашем случае ф — ф0/2). Переходные формулы от координат х, у и z к и. v и ш будут упрощены по сравнению с первыми случаями: и — х cos а0+ (гг— z) sin а„; v — y, w xsina0—(zr—z)cosa0. Угол a„ определяется так же, как и в пер- вом случае, по формуле tg a0= (zr — z0)/(R0 — Rx). Число точек по радиусу берут не менее пя- ти (с интервалом (RB — Rx)/4), а по углам — точки на осях громкоговорителей и между ни- ми, а также для угла—фд/2. Расчет выполняют только для левой половины сектора (вслед- ствие симметрии). Шаг по углу берут равным Фо/2, отсчет углов берут от оси левого край- него громкоговорителя (угол для первого отсчета берут — ф(/2, Для последнего — угол ф, равный углу между крайними громкогово- рителями и осью сектора). Радиусы R берут в пределах г, ... г„ Пример расчета уровней звукового поля на МК-54 для секторной площадки (програм- ма расчета даиа в табл. 12.19). Задано: число громкоговорителей 3. Так как угол между соседними громкоговорителя- ми л/6, то уровни следует определять для сле- дующих углов:—л/12, 0, л/12, л/6. По радиу- су возьмем пять точек. Радиус последнего ряда RB = 20 м, радиус линий громкоговори- телей /?у = 4 м, поэтому точки, для которых надо вычислять уровни, будут на радиусах 4, 8, 12, 16 и 20 м Амфитеатр начинается с 15 м, на расстоянии Ra = 16 м высота ?2 = = 1,5 м (начальная высота, т. е. для переднего ряда г3 = 1м, для последнего ряда z„ = = 4 м, высота подвеса громкоговорителей zr = 4 м. Данные колонок следующие ев — 0,985, ег — 0,95, р, = 10 Па. Рассчитанные значения уровней приведены в табл. 12 20 Расчет уровней звукового поля для сек- торной площадки иа ДВК по программе, при- Таблица 12.19. Программа расчета звукового поля на МК-54 для секторной площадки а) Определение координаты г (если она не задана по чертежу) 00 Пхд 05 Пхв 10 ПхО 15 Пх1 20 х —у 25 X Ввод: 01 Пхв 06 — II 16 хУ 21 Пх4 26 Пхв Ro хП1 R хП4 02 -— 07 12 лг 17 Пхс 22 хУ 27 4 Rs хПО z2 хПа 03 хПс 08 лг 13 18 23 х—у 28 хП6 z3 хПв z0 хПд 04 Пха 09 Пх1 14 В 19 1/х 24 1 29 с/п Вывод: Пхб z б) • Расчет уровней звукового поля 00 Сх 15 — 30 X2 45 X 60 — 75 Л2 Ввод. ф„ хПд 01 хПа 16 Пхд 31 1 46 — 61 Пхс 76 12 Ro хП1 п хП2 02 Пх7 17 X 32 Пх9 47 X2 62 сни 77 Пха R! хПЗ R хП4 03 1 18 — 33 X2 48 1 63 X 78 лг Ф хП5 z хП6 04 / zo 19 в 34 — 49 Пх8 64 + 79 1 zr хП7 ев хП8 05 — 20 кос 35 50 X2 65 хПв 80 0 ег хП9 Pi хПО 06 Пх1 21 Пх4 36 Пхв 51 — 66 X2 81 X Вывод: 07 ПхЗ 22 X 37 Пхс 52 67 4- 82 9 Пха р2 Пхс L дБ 08 — 23 ПхЗ 38 сии 53 68 ПхО 83 4 09 24 — 39 X 54 Пхв 69 X2* 84 + п вводить для каждого счета! 10 атг 25 хПв 40 Пх7 55 Пхс 70 85 хПс 11 хПс 26 X—у 41 Пхб 56 кос 71 1/х 86 с/п * Для рупорных громкоговори 12 Пх5 27 син 42 — 57 X 72 Пха телей между адресами 68— 13 Пх2 28 Пх4 43 Пхс 58 Пх7 73 + 71 следует вставить- Пхв 14 1 29 X 44 кос 59 Пхб 74 хПа X: х2. п число громкоговорителей 315
a) Рис. 12.5. Расположение громкоговорителей для встречной работы: о —х„«й/2; О —х0=1>/2 веденной в табл. 12.21. Число громкоговори- телей К1 равно трем. Расчет уровней звукового поля совпадает с данными для микрокальку- лятора МК-54, так как исходные данные те же (приведены на самой программе) Программа для ДВК (табл. 12 21) отлича- ется от предыдущей (табл. 12.17), тем, что в ней введены строки для определения коорди- наты Z, которая вследствие подъема пола ам- фитеатра является переменной величиной Для этого в строках с адресами 80 и 40 дано вычисление показателя S и коэффициента Е кривой подъема, а в строке с адресом 150 дано вычисление координаты Z с учетом вы- соты озвучиваемой поверхности в начале ее (Z3). По адресу 180 дано вычисление шага по оси у (0), и, наконец, в адресе 530 вместо ко- ординаты у дан номер линии N. 5. Два громкоговорителя, работающие встречно и расположенные на расстоянии Ь друг от друга, озвучивают площадку между ними с шириной d (рис. 12.5). Обычно точка упора оси в озвучиваемую плоскость находит ся на середине между громкоговорителями, т е х„ = Ь/2, поэтому расчет уровней поля выполняется только для четверти озвучивае- мой площадки: от одного (левого) нз громко- говорителей до середины площадки и от ОСИ площадки к одному из ее краев. Ось х на- правляют по оси площадки н интервалы меж- ду точками расчета берут равными от хв до х(/4. По оси у берут три—пять расчетных точек, т. е. интвервал между точками выбирают равным Таблица 12.20. Уровни звукового поля для секторной площадки Ф. рад Lt дБ, для R, м 4 8 12 16 20 —л/12 93 91,4 89,8 88,7 88,3 0 93,3 92,1 90,9 90,4 91 л/12 93,5 92,5 91,3 90,5 90,4 л/6 93,6 93,7 91,5 90,9 91,5 Неравомерность равна 93,6—88,3=5,3 дБ. Таблица 12.21. Программа расчета звукового поля на языке Бейсик для секторной площадки Ю REM NAME SECTOR 15 DATA 20,4,16,4,4,1.5,1,PI/6 20 READ RO,R1.R2.Z0.Z1,Z2,Z3,F0 25 DATA .905,.95,10,3 30 READ El,E2,Pl,KI «О LET C-lOi LET P-940.5! DIM L<5.4> 50 LET R3-RO-R11 LET.Z6-Z2-Z3 60 LET Z5-Z0-Z31 LET R6-R2-R1 70 LET AO-ATN <<Z1-ZO>ZR3> SO LET S=LN (Z5ZZ61ZLN (R3/R6) 90. LET E-Z5ZR3'S 100 LET L3-INT <2O0*LN (P1ZR3IZLN C+PIZC 110 LET L4=L3< GD SUB 500 120 FOR M-l TO 5 130 LET R-IM-1)»R3Z4»R1 140 LET R5-INT (OR+.51/C1 PRINT R5; ISO LET Z-E*<R-R1)'S+Z3! LET Z4-Z1-Z 170 FOR N—1 TO Kl*l IGO LET P2=O 190 FOR K=1 TO KI 210 LET F=(NZ2-K1»FOt LET X=R*COS F-Rl 220 LET U-X-COS A0»Z4»SIN AO 230 LET V-R»SIN F 240 LET W=X»SIN A0-Z4»C0S AO 250 LET Q1-U»U 260 LET 02-V.VZ<1-E2»E2> 270 LET Q3=W*WZ<1-E1»E1 > 280 LET P2-P2+P1-P1Z(Q1+Q2+G31 290 NEXT К 300 LET L=INT <100»LN P2ZLN CrPJZC 310 PRINT L,l GO SUB 400 320 NEXT N 330 NEXT M 340 LET L0-1NT (C*<L4—L3-O-1>>ZC 350 PRINT -LO=“|LO> GD TO 790 400 LET L1-L3-L 410 IF Ll<0 THEN GO TO 440 420 LET L3=L3-.Is ₽0 TO 400 440 LET L2-L4-L 450 IF L2>0 THEN GO TO 480 460 LET L4-L4+.1I GO TO 440 4G0 RETURN 500 PRINT “L,dB PRI Fl.gr” 520 PRINT "R.m” 530 FOR N—1 TO Kl + 1 540 LET Fl —INT <IN-2)»90»F0ZPT*. 5> 550 PRINT Fl,i NEXT N 570 RETURN 790 STOP 316
Таблица 12.22. Программа расчета звукового поля на МК-54 для встречной работы громкоговорителей 00 Пх7 15 ПП 30 X 45 син 60 X Ввод Pi хПО 01 ПхЗ 16 36 31 9 46 X 61 — хв хП1 b хП2 *o хПЗ 02 ~— 17 хПа 32 4 47 + 62 X2 х хП4 у хП5 Z хП6 03 Пх1 18 пХ2 33 + 48 хПв 63 1 zr хП7 ев хП8 Рг хП9 04 19 Пх4 34 хПс 49 X2 64 пХ8 Вывод: Пха р2 Пхс L дБ 05 атг 20 — 35 с/п 50 + 65 X2 06 хПс 21 хП4 36 Пхд 51 Пхс 66 — * Для рупорных громкоговорителей 07 Пхб 22 ПП 37 Пхс 52 син 67 между адресами 69 и 70 надо вста 08 X2 23 36 38 кос 53 Пх4 68 внть ПхВ и X и поменять местами 09 1 24 Пха 39 Пх4 54 X 69 ПхО адреса 70 и 71 (х2 и :). 10 Пх9 25 к 40 X 55 Пх7 70 X2* 11 X2 26 хПа 41 Пх7 56 Пхб 71 Примечание. Для каждого счета х на- 12 -— 27 лг 42 Пхб 57 — 72 1/Х бирать заново’ 13 28 1 43 — 58 Пхс 73 в о 14 хПд 29 0 44 Пхс 59 кос rf/8. Абсциссы для второго громкоговорителя будут Ь — х. Пример расчета, уровней звукового поля иа МК-54 при встречном включении громко- говорителей (звуковых колонок) по прогрмме, приведенной в табл. 12.22. Задано: рассчитать уровни звукового поля для прямоугольной формы площадки (см. рис 12 5) со следующими данными: х„ = 20; z = z„ I; гг = 3, у = 8; г 40, ев = 0,985, ег = 0,95; pt = 10 Па. По продоль- ной линии берут три—пять точек, по попереч- ной —две-три точки. В табл. 12.23 приведены данные расчета уровней. Таблица 12.23. Уровни звукового поля у. м L. дБ, для х, м 0 10 20 0 93,1 93,2 90,9 8 86,3 86,8 86,8 Неравномерность AL=93,2—86,3=6,9 дБ. Пример расчета звукового поля на ДВК для встречной работы громкоговорителей (программа дана в табл. 12.24). Задано: рассчитать уровни звукового поля для данных, приведенных на самой програм- ме. Примечение: обычно ХО = В/2. В табл 12 25 приведены данные расчета Если взять направленность в вертикаль- ной плоскости меньше (например, 0,985), го иеравиомериость озвучения уменьшится. Определение эффекта эха с помощью мик- рокалькулятора МШ-54 по программе, при- веденной в табл. 12 26 Исходные данные те же, что и для расчета уравнений. Результаты расчета сведены в табл 12 27. Эхо нигде ие снижает разборчивость ре- чи (запас по уровню не менее —2,5 дБ). Расчет эха на ДВК-2 по программе, при- веденной в табл. 12 28 Исходные данные в программе. Результаты приведены в табл. 12.29. Таблица 12.24. Программа расчета звукового поля иа языке Бейсик для встречной работы громкоговорителей 10 REM NAME WSTRECH ZO DATA 20,5,1,40,16,.995,.95,10 30 READ XO.Zl,Z,B,O,E1,Е2,Р1 40 LET C-10: LET P-940.5: DIM Ll9,3) 50 LET L3-INT <200»LN <P1/XO)/LN C+Pl/C 60 LET L4-L3: LET Z4-Z1-Z 70 LET AO-ATN (Z4/X0): GO SUB 500 100 FOR M-l TO 5 110 LET V=D»(M-1)ZG 120 LET VI-INT (C*V+.5)/Cl PRINT VI; t3D FOR N-l TO 5 150 LET P2-0: LET X-BolN-ll/B 170 GO SUB 250 180 LET X=B-X 190 GO SUB 250 200 LET L-INT <lO0»LN 1P21/LN C+Pl/C 210 PRINT L,l GO SUB 400 220 NEXT N 230 NEXT M 235 LET LO-INT <C* (L4-L3-0. 1) )/<? 240 PRINT ”L0=“;LOl GO TO 790 250 LET U-X4COS A0+Z4+SIN AO 260 LET V-V 270 LET W-X+SIN AO-Z4»COS AO 280 LET 01-U+U 290 LET Q2-V*VZ(1-E2+E2) 300 LET O3=W»W/<1-E1*E1> 310 LET P2=P2+P1+P1/<01+02+03) 320 RETURN 400 LET L1-L3-L 410 IF Ll<0 THEN GO TO 440 420 LET L3-L3-.1: GO TO 400 440 LET L2-L4-L 450 IF L2>0 THEN GO TO 4G0 460 LET L4-L4+.1: GO TO 440 4S0 RETURN 500 PRINT ",”L,dB PRI X,m“ 520 PRINT "V,m" 530 FOR N—1 TO 5 540 LET X=B»(N-1)/B 545 LET X-INT <C«X+.5)/C: PRINT X, 550 NEXT N 560 RETURN 790 STOP 317
Таблица 12.26. Программа расчета эха для встречной работы громкоговорителей на микрокалькуляторе МК-54 00 ПХ7* 20 — 40 8 60 X2 80 Пхс Ввод: хи хП1 b хП2 01 Пхб 21 /-/ 41 — 61 — 81 кос х хП4 у хП5 z хП6 02 — 22 хПд 42 ПхО 62 82 X хП7 ев хП8 ег хП9 03 хПЗ 23 ПП 43 63 Пхс 83 — Вывод: ПхО Д£ Д/? 04 Пх1 24 56 44 хПс 64 кос 84 X2 Пхс Д£3ап 05 25 Пха 45 с/п 65 Пх4 85 1 06 атг 26 46 ПхЗ 66 X 86 Пх8 * Для рупорных громкоговорителей сле- 07 хПс 27 лг 47 X2 67 ПхЗ 87 X2 дует заменить адрес 91 иа 91 Пхв 92 : 08 ПП 28 1 48 Пхб 68 Пхс 88 .— 93 х2 94 в/о. 09 56 29 0 49 X2 69 син 89 Примечание: обычно х(| = в/2; в каждом 10 хПа 30 X 50 70 X 90 + счете набирать заново х. 11 ПП 31 хПО 51 Пх4 71 н- 91 в/о 12 46 32 Пхд 52 X2 72 хПв 13 Пх2 33 лг 53 + 73 X2 14 Пх4 34 8 54 У" 74 — 15 — 35 0 55 в/о 75 Пхс 16 хП4 36 X 56 Пхб 76 син 17 х—V 37 3 57 X2 77 Пх4 18 ПП 38 58 1 78 К 19 46 39 3 59 Пх9 79 ПхЗ Таблица 12.25 L, дБ. для х . М У, м 0 5 10 13 20 0 83,9 86,0 88,4 90,4 90,8 2 82,8 85,8 88,2 90 90,4 4 83,5 85.4 87.4 88,9 89,4 6 83,1 84,8 86,4 87,7 88,1 8 82,6 84 85,4 86,4 86,7 Неравномерность составляет 90,8—84 = 6,8 дБ. Таблица 12.27. Разности уровнен у, м ДБ. дБ. для г, м 0 .0 0 7 — 11,9 8 —2,5 —7.5 Таблица 12.29. Разности уровней LI =ДЛ. дБ для у. м X, м 0 2 4 6 8 0 —2,6 —2,5 —2,2 — 1,9 -1,6 5 —5,9 —5,6 -4,9 —4,3 —3,8 10 — 10 —9.6 —8.7 —7,9 -7,4 Таблица 12.28. Программа расчета эха на языке Бейсик для встречной работы громкоговорителей 10 REM NAME EHD USTR 95 20 DATA 20,3,1,40.16,•9В5’’ 30 READ XO,Z1,Z,B,D,E1,E2 40 DIM L<3,3>: LET C=10 70 LET Z4=Z1 Z: LET A0=ATN <Z4/X0> BO GO SUB SQQ 100 FOR M»1 TO 5 110 LET Y=D*<M-1>/B 120 LET Y1=INT <C*Y*.5)/С: PRINT Ylj 130 FDR N=1 TO 3 150 LET X=B»(N-1)/B 165 LET R1=SQR <X»X»Y»Y+Z4»Z4) 170 SO SUB 230 1B0 LET P3=P2: LET X=B-X 162 LET R2-S0R (X»X+Y*Y+Z4*Z4> 1B3 LET R=R2-R1 1B6 LET L2=eO»LN R/LN C/3-3G 190 SD SUB 230 193 LET P4-P2 196 LET L3=C»LN (P4/P31/LN C 200 LET L1=INT IC«1L2-L31>/C 220 PRINT LI, I NEXT N 230 NEXT M 240 GO TO 790 230 LET U=X*COS A0+Z4.SIN AO 260 LET V=Y 270 LET W=X»SIN A0-Z4»CDS AO 280 LET 01=U»U 290 LET 02-V.VZ<1-E2»E2> 300 LET Q3=W*WZ(1-EloEl) 310 LET P2»01+Q2+Q3 320 RETURN 300 PRINT "LI.dB PRI X,m“ 520 PRINT "Y,m“ 330 FDR N=1 TO 3 340 LET X=B*<N-l)/6 345 LET X=INT <C»X».5IZC: PRINT X, 550 NEXT N 560 RETURN 790 STOP 318
Из этих данных следует, что во всех точках мешающего эха нет. Минимальный запас (1,6 дБ) получается в боковой точке на линии громкоговорителя (х = О, у = 8 м). 6. Одна цепочка громкоговорителей, озву- чивающая площадку любого размера вдоль це- почки и с размером х0 в направлении осей громкоговорителей (рис. 12.6). Абсцисса х0 со- ответствует расстоянию по горизонтали от цепочки до удаленного ряда слушателей. Эта площадка может быть плоской и с амфи- театром. Программа составлена на более слож- ный случай, т. е наличие амфитеатра По этому координата по вертикали z определяется выражением г = EAS По оси х берут три — пять точек, т. е. интервалы между точками равны х0/2 — х0/4. По оси у точки выбирают так, чтобы оии были иа проекции оси громко- говорителей и между ними, а также слева от пятого громкоговорителя Если расстояние между громкоговорителями d, то интервалы будут d/2. Очевидно, достаточно рассчитывать уровни в одной половине площадки. При этом обычно берут ее левую сторону, а начало ко- ординат помещают под левым громкоговори- телем. Для определения ординат точек по у пользуются формулой у^ = d » (N — 1)/2, где N - номер точки, считая их слева, а для определения координаты V, т. е (для расчета звукового давления) расстояния от каждого громкоговорителя до точки, пользуются фор- мулой v = у — kd, где k — номер громкого- ворителя, считая левый за исходный, г опреде- ляют для разных х в пределах 0 — х. Для плоской поверхности г = z„ = г3 = г2. Для Рис. 12.6. Расположение одиночной цепочки при озвучении площадки амфитеатра заданы ги (в конце амфитеатра), г2 — высота озвучиваемой поверхности иа расстоянии х2 от громкоговорителей Пример расчета звукового поля иа МК-54 для одиночной цепочки по программе, приве- денной в табл. 12.30. Задано: площадка с амфитеатром озвучи- вается одиночной цепочкой, расположенной вдоль рампы сцены. Цепочка состоит из трех Таблица 12.30. Программа расчета звукового поля иа МК-54 для одной цепочки громкоговорителей а) Определение координаты z (если она не задана по чертежу) 00 пхз 05 Пхв 10 ПхО 15 Пх1 20 х—у 25 X Ввод: 01 Пхв 06 — 11 16 ху 21 Пх4 26 Пхв х„ хП1 ze хПЗ 02 — 07 12 лг 17 Пхс 22 хУ 27 -ф х хП4 Х2 хПО 02 хПС 08 лг 13 18 23 х—у 28 хПб z2 хПа Zs хПв 04 Пха 09 Пх1 14 В 19 1/х 24 29 с/п Вывод Пхб z о) Расчет уровней звукового поля 00 Сх 1 Пхс 30 X 45 Пх5 60 хПа Ввод Pj хПО <1 хПд 01 хПа 16 сип 31 — 46 — 61 х0 хП1 п хП2 гв хПЗ 02 Пх7 17 X 32 х- 47 X2 62 Л2 х хП4 у хП5 г хПб 03 ПхЗ 18 33 1 48 1 63 40 гГ хП7 ев хП8 ег хП9 04 —- 19 хПв 34 Пх8 49 Пх9 64 Пха 05 Пх1 20 X2 35 X2 50 X2 65 лг Вывод: Пха р2 Пхс L дБ 06 21 Пхс 36 — 51 — 66 1 07 атг 22 СИН 37 52 67 0 п — вводится для каждого счета. 08 х Пе- 23 Пх4 38 -1- 53 1 68 X 09 кос 24 X 39 в 54 ПхО 69 9 * Для рупорных громкоговорителей 10 Пх4 25 Пх7 40 Пх2 55 X2* 70 4 между адресами 54—57 следует вста- 11 X 26 Пхб 41 1 56 71 + вить 55 Пхв 12 Пх7 27 — 42 — 57 1/'х 72 хПс 55 Пхв. 13 Пхб 28 Пхс 43 Пхд 58 Пха 73 С 'П 56 X 57 58 х2 и далее со сдвигом на 14 — 29 кос 44 X 59 -и 2 адреса. fl число громко говор ителей. 319
звуковых колонок с данными ев = 0,985, ег — 0,95, pi = 10 Па. Колонки подвешены на высоте гг = 6 м над уровнем пола. Осталь- ные данные следующие: х0 = 20, г0 = 4, d — = 4, г3 = 1, г2 = 1,5, х2 = 16. Находим координату г для значений х = 0, 8; 16; 20. Они соответственно равны 1; 1; 1; 1,5; 4. Зна- Та блица 12.31. Уровни звукового поля у. М Z-.дБ, для х. м о 8 12 16 20 —2 88,0 88,9 90,3 0 88,6 90,0 91,1 2 88,9 90,0 91,6 4 89,1 90,0 90,1 80,7 91,8 Неравномерность составляет 91,8—88=3,8 дБ. Таблица 12.32. Программа расчета звукового поля на языке Бейсик для одиночной цепочки громкоговорителей 10 REM NAME CEPOCHKA 20 DATA 20,4,0,16,1.5,1,4..905,.95,10.3 30 READ XO,ZO,Z1,X2.ZZ.Z3,D,E1,E2,PI,K1 50 DIM L(5,4>i LET C-IOi LET P-940.5 60 LET L3-INT (200+LN (P1/X01/LN C+Pl/C 70 LET L4-L3: LET Z5-ZO-Z3 00 LET AO=ATN <<Z1-ZO>/XO> 90 LET S-LN <Z5/<Z2-Z3)1ZLN CX0/X21 1OO LET E=Z5/XO"'S> GO SUB 500 110 FOR M=1 TO 5 120 LET X-X0XM-1) /4 130 LET X1—1NT <C+X+.51/Ci PRINT XI; 140 LET Z-E»X'S+Z3i LET Z4-Z1-Z 160 FOR N-l TO Kl + 1 170 LET P2-0 180 LET U-X+COS A0+Z4+SIN AO 190 LET Ы-X+SIN A0-Z4+CDS AO 200 LET Y-D+CN-21/2 2tO LET Qt-U+U 220 LET 03-Ы+Ы/<t-El»E11 230 FOR K»t TO KI 240 LET V-Y-1K—1>*D 250 LET 02-V+VZ<1-E2+E2) 260 LET Р2-Р2+Р1+Р1/<01+02+031 270 NEXT К 200 LET L-INT 1100+LN P2/LN C+Pl/C 290 PRINT L.t GO 8UB 400 300 NEXT N 310 NEXT M 330 LET LO-INT <C»<L4-L3-O.tll/C 340 PRINT ”LO-";LOl GO TD 790 400 LET L1-L3-L 410 IF Ll<0 THEN GO TO 440 420 LET L3-L3-.I: GO TO 400 440 LET L2=L4-L 450 IF L2>0 THEN GO TO 400 460 LET L4-L4+.11 GO TO 440 400 RETURN 500 PRINT -.-L.dB PRI Y,m“ 520 PRINT "X,m" 530 FOR N=1 TO Kl + 1 540 LET y-D«<N-21/2 ' 545 LET Yl-INT (C+Y+.51/C: PRINT Y1, 550 NEXT N 560 RETURN 790 0TDP J Примечание. Z±>Z2>Z3. чения у берем равными —2; 0; 2; 4. т. е. толь" ко для левой половины площадки, так как для правой уровни соответственно равны уров- ням левой половины. Расчетные данные для уровней приведены в табл 12.31. Из расчета следует, что высоту подвеса надо или уменьшить, чтобы уровни под колонками были несколько выше (если иметь в виду озву- чение), или увеличить, чтобы уровни около сцены были на 56 дБ ниже, чем для удаленной точки (если имеют в виду звукоусиление) Пример расчета звукового поля на ДВК-2 для одиночной цепочки по программе, приве- денной в табл. 12.32 Данные приведены в самой таблице. Ре- зультаты расчета приведены в табл. 12.33. Таблица 12.33. Уровни звукового поля у. м L, дБ, для х, м 0 5 10 15 20 --2 85,8 86,8 87,6 88,6 90.2 0 86,2 87,2 88,2 89,2 91 2 86,4 87,5 88,5 89,6 91,5 4 86,5 87,6 88,6 89,7 91,7 Неравномерность составляет 91,7—85,8=5,9 дБ. Расчет эха для цепочки громкоговорителей, оси которых направлены перпендикулярно продольной оси улицы (ось х также перпенди- кулярна оси улицы), по программе, приве- денной в табл. 12.34 для МК-54 и в табл. 12.35 для ДВК 2. Исходные данные в программе для ДВК-2. Результаты расчета по обеим программам приведены в табл 12.36. Во всех точках есть запас по уровню пря- мого звука Наименьшее его значение полу- чается на линии громкоговорителей в точке на расстоянии 10 м от точки под громкоговори- телем Для проверки заметности эха (для музы кальных программ) заменяем запись в п.200 (см. табл 12 35) на L2 = 35 ♦ LO G(R)/ /LOG(IO)—43). Для тех же данных получаем следующие запасы по уровню (см. табл. 12.36). Эхо заметно только на линии громкогово- рителей. 7. Две цепочки громкоговорителей, озву- чивающих прямоугольную площадку шири- ной Ь и любой длины с расположением гром- коговорителей по ее длине на интервалах d. Программа составлена для системы встреч но работающих громкоговорителей, поэтому она представляет собой обычную программу для встречно работающих громкоговорителей, повторенную для каждой из пар. Следует иметь в виду, что по сравнению с одиночной цепочкой в данном случае х0 = Ь/2. Вслед- ствие симметрии уровней поля расчет приво- дят для четверти площадки (см. рис. 12.7). 320
Таблица 12.34. Программа расчета эха иа МК-54 для цепочки громкоговорителей при поперечном озвучении длиииогр объекта 00 Пх7 20 — 40 8 60 X2 80 Пхс Ввод: 01 Пхб 21 /-./ 41 — 61 — 81 КОС х0 хП1 х х.114 d х11д 02 — 22 хП2 42 ПхО 62 82 X z хПб zr хП7 у хП5 03 хПЗ 23 ПП 43 — 63 П"Хс 83 — ег хП9 ев хП8 04 Пх1 24 56 44 хПс 64 КОС 84 X2 Вывод: 05 25 Пха 45 С/П 65 Пх4 85 1 Пх2 AR ПхО ILIlxc AL3 дБ* 06 атг 26 46 Пх5 66 X 86 Пх8 07 хПс 27 ЛГ 47 X2 67 ПхЗ 87 X2 * Запас по уровню соответствует знаку 08 ПП 28 1 48 ПхЗ 68 Пхс 88 — минус! 09 56 29 0 49 X2 69 СИН 89 Примечание; в каждом счете у набирать 10 2 30 X 50 + 70 X 90 4- заново! 11 X 31 хПО 51 Пх4 71 91 В, О* * Для рупорных громкоговорителей 12 хПа 32 Пх2 52 хг 72 хПв следует после адреса 90 заменить: 13 ПП 33 лг 53 + 73 X2 92: 14 46 34 8 54 74 93х2 15 Пхд 35 0 55 в о 75 Пхс 94 в о 16 хП5 36 X 56 Пхб 76 СИН 17 х—у 37 3 57 X2 77 Пх4 18 ПП 38 58 1 78 1 19 46 39 3 59 Пх9 79 ПхЗ Таблица 12.35. Программа расчета эха для цепочки громкоговорителей, расположенных вдоль длинного объекта (оси грмкоговорителей перпендикулярны оси объекта) 10 REM NAME ЕНО СЕР 20 DATA 20,6.1.40,.9в5,.93 30 READ ХО,Zl,Z,D,E1,Е2 40 DIM L(3,3>: LET Z4»Zt-Zi LET C»1O 50 LET AO-ATN 1Z4/XO)I GO SUB 500 BO FOR M-l TD 3 90 LET X»XO»(M-l>/4 lOO LET Xl-INT (C»X*.5)/Cs PRINT XI; 110 FDR N=1 TO 3 120 LET Y-D»(N-i>/e 130 LET Yl-INT (C*Y*O.5)/C 140 LET R1=SQR (X«X*Y*Y*Z4*Z4) 150 GO SUB 290 160 LET P3-P2»2: LET V-D tBO LET R2>S0R (X»X+V*V+Z4»Z4> 190 LET R-R2-R1 200 LET L2»35«LN (Rl/LN C-43 210 GO SUB 290 220 LET P4»P2 230 LET L3»INT <tOO»LN IP4/P31/LN O/C 240 LET LI-INT tC»1L2-L3)1/C 260 PRINT LI,» NEXT N 270 NEXT M 200 GO TD 790 290 LET U-X»COS A0eZ4»BIN AO 300 LET V-Y 310 LET W-X»BIN AO—Z4»C0S AO 320 LET Q1-U*U 330 LET O2»Y»V/<1-E2«E2» 340 LET 03-W»W/<1-El»E1> 350 LET P2=O1*02*03 360 RETURN 500 PRINT , "L,dB PRI Y.m" 520 PRINT 530 FOR N»1 TD 3 540 LET Y»(N-1J*D/B 545 LET Y-INT (C*Y*.5)/C 550 PRINT Y,1 NEXT N 570 RETURN 7У0 STOP Примечание. В n IbU считывается действие только двух соседних громкоговорителей. Можно рассчитывать уровни и как комби- нацию двух отдельных одиночных цепочек. Отсчет координаты у ведется от оси крайнего громкоговорителя. Шаг по у берут равным d/2, г и г„ берут равным 1 для сидящих и 1.5 м для стоящих слушателей. Значения х бе- рут в пределах О...хо (х„ обычно равно поло- вине b или меньше ее) Пример расчета уровней звукового поля на МК-54 для двух цепочек при звукофика- ции прямоугольной площадки по программе, приведенной в табл. 12.37. Задано: рассчитать уровни звукового поля для следующих данных: ширина площадки b = 20 м, х0 = 10 м, шаг цепочки d = 4 м, число громкоговорителей в цепочке п = 4, высота подвеса цепочек гг = 3 м, г0 = г3 = = г = 1 м Данные звуковых колонок: ев = = 0,985, еГ = 0,95, = 10 Па Расчет введем для координат х = 0; 5, 10 м, у = —2; 0; 2; 4 и 6 м Расчетные данные приведены в табл. 12.38. Пример расчета звукового поля на ДВК для двойной цепочки по программе, приве- денной в табл. 12.39. Исходные данные см на самой программе Результаты расчета приведены в табл. 12.40 Прн расчете приближенного значения уровня для определения неравномерности озвучения (п. 70) уровень увеличивают на ЗдБ.таккак он повышается из-за действия двух цепочек. 8. Система громкоговорителей, создаю- щих бегущую волну. Большое число громко- говорителей. расположенных по улице на рас- стояниях d друг от друга и работающих в од- ном направлении через линии задержки (рис 12.8) Для этой цели чаще применяют до- полнительные громкоговорители для озвуче- ния ближией зоны. В прилагаемой програм ме расчет выполняют для последующих гром- 11 Зак IHSb 321
Таблица 12.36. Запас по уровню для одиночной цепочки X, м Z.1, дБ. для у. м X. м II, дБ, для у, м 0 з 10 ° 5 ю а) Для речевых программ б) Для музыкальных программ 0 —7.1 —6,6 —5,7 0 0,8 1.1 1.5 5 —9,8 8.4 -6,7 5 2,1 —0,9 0,4 10 -12,7 —10,5 8 10 5,4 3.3 -1.1 Рнс. 12.7. Расположение двойной цепочки при озвучении Таблица 12.37. Программа расчета звукового поля иа МК-54 для двух цепочек громкоговорителей 00 Сх 15 хПа 30 I 45 В 60 Пх8 01 хПа 16 Л2 31 — 46 Пх1 61 X2 02 ПП 17 02 32 X 47 62 — 03 27 18 лг 33 — 48 атг 63 04 Пха 19 1 34 X2 49 хПв 64 X—у 05 т 20 0 35 1 50 син 65 Пхв 06 хПа 21 X 36 Пх9 51 Пх4 66 син 07 ПхЗ 22 9 37 X2 52 X 67 X 08 11x4 23 4 38 — 53 X—у 68 Пхв 09 — 24 -+ 39 54 Пхв 69 кос 10 хП4 25 хПс 40 хПс 55 кос 70 Пх4 11 ПП 26 с/п 41 Пх7 56 X 71 X 12 41 27 Пх5 52 Пхб 57 — 72 4- 13 Пха 28 Пхд 43 — 73 х58 73 хПв 14 т 29 Пх2 44 в 59 1 74 № п — число громкоговорителей в каждой цепочке 75 Ввод d хПд 76 Пхс Хо хП1 п хП2 77 't- Ь хПЗ X хП4 78 Пхо У хП5 Z хП6 79 X2* zr хП7 хП8 80 81 i/x ег хП9 Вывод: Р1 хПО 82 в/о Пха р2 п вводить в Пхс каждом 1. счете! * Для рупорных громкоговорителей между адресами 78—81 следует заме- тит.- Пхв X : х2. 322
Таблица 12.38. Уровни звукового поля Таблица 12.39 Программа расчета звукового поля для двух цепочек гром коговорнтелей х. м L, дБ, для у, м - 2 п 2 4 6 0 95,2 96,5 97,0 97,3 97,3 5 97 98.2 99 99,3 99,3 10 97.2 98,5 99,3 99,7 99,6 Неравномерность составила 2,5 дБ. Т а блица 12.40. Уровни звукового поля L. дБ для у. м .V. м 0 2 4 6 0 95,2 96,2 96,9 97,2 97,2 2,5 96,5 97,9 98,9 99,0 98,9 5 97,0 98,2 99,0 99,3 99,3 7,5 97,3 98,6 99,6 99,8 99,7 10 97,3 98,5 99,3 99,6 99,6 Неравномерность составила 99,8—95,2=4,6 дБ. когов орите лей. начиная с третьего. Счита- ется, что громкоговорители расположены на середине улицы шириной Ь, поэтому выбира- ют не менее пяти расчетных точек по длине каждого участка между громкоговорителями (J/4) и по ширине (для половины ширины); берут также по пять точек интервалы берут (1/8)6. Таблица 12.42. Уровни звукового поля X, м L. дБ. для у, м 0 10 20 30 40 0 88,5 88,4 88,3 88,1 87,6 100 92,8 92,3 91,1 90,7 88,7 200 92,9 92,7 92,3 96,6 90,8 300 90,8 90,8 90,5 90,2 89.7 400 88,9 88,8 88,6 88,4 88,1 Неравномерность озвучения составила 6,2 дБ. iO REM NAME DWE СЕР 20 DATA 10,t,3,20,4,.9G5,.95,Ю• * 30 READ XOFZO.Z1,B,D,E1,Е2,Р1,К1 40 DIM L(5,S)s LET C-lOx LET P-94O.5 60 LET Z4=Z1-ZO: LET AO-ATN (Z4/XO) 70 LET L3«5.!NT (200*LN (P1/XO)/LN C+P)/03 po LET L4=L3: GO SUB 500 90 FOR M»t TO Kl+t » 100 LET Y=D*(M-2)/2 t05 LET Yl-INT (C*Y*.5)/Cs PRINT Yij t 10 FOR №1 TO 5 t20 LET X—B«(N—1)/Q: LET P2«Os GO SUB 230 t60 LET X*B-X: GO SUB 230 100 LET L-INT tlOO»LN P2/LN C+P)/С 200 PRINT L,: GO SUB 400 205 NEXT N 210 NEXT M 2t5 LET LO»INT (C*(L4-L30.1))/C 220 PRINT “L0»“;L0: GO TO 790 230 LET U-X*COS AO>Z4»S1N AO 240 LET W=X»SIN A0-Z4»C0S AO 250 LET Q1»U*U 260 LET Q3»W*W/(t-Et*E1) 270 FOR K=t TO Kt 200 LET V«Y-(K-!)*D 290 LET Q2-V*V/(1-E2*E2) 300 LET P2’P2*Pt»P1/(Qt+Q2*Q3) 310 NEXT К 320 RETURN 400 LET L1=L3—L 4t0 IF Lt<0 THEN GO TO 440 420 LET L3=L3-.tx GO TO 4Q0 440 LET L2=L4—L 450 IF L2>0 THEN GO TO 4BO 460 LET L4=L4+.t: GO TO 440 400 RETURN 500 PRINT •*1“L,dB PR I X.m” 520 PRINT MY,mM 530 FOR N-t TO 5 540 LET X=0MN-1)/B 550 LET X=INT (C*X+.5)/С: PRINT X, 560 NEXT N 570 RETURN 790 STOP Пример расчета на МК-54 звукового поля для системы с рупорными громкоговорите- лями, сдвоенными по вертикали и по горизон- тали и создающими бегущую волну ев = = 0,975, ег = 0,95, pt = 192 Па (см. табл. 12.41). Рис. 12.8. Расположение системы громкоговорителей «бегумой» волны» 11* 323
Таблица 12.41. Программа расчета звукового поля иа МК-54 для системы бегущей волны с рупорными громкоговорителями 00 Сх 15 — 30 + 45 9 60 X2 75 : Вввод: d хПд 01 хПв 16 : 31 хПа 46 4 61 Пхс 76 Ч- л-о хП1 X хП4 02 Пх7 17 хП2 32 Пхд 47 + 62 син 77 Пх2 у хП5 г хП6 03 Пхб 18 ПП 33 Пх4 48 хПс 63 Пх4 78 -i- гг хП7 ев хП8 04 19 50 34 -Ч- 49 с/п 64 X 79 ПхО ег хПЭ Р1 хПО 05 хПЗ 20 Пха 35 хП4 50 Пхс 65 Пхс 80 Пхв* Вывод: 06 Пх1 21 + 36 ПП 51 кос 66 кос 81 X Пха р2 Пхс L дБ 07 22 хПа 37 50 52 Пх4 67 ПхЗ 82 : 08 атг 23 Пхд 38 Пха 53 X 68 X 83 х2 * Для звуковых колонок адре- 09 хПс 24 Пх4 39 + 54 —Пхс 69 — 84 1/х са 80 и 81 сделать НОП, а 10 Пх5 25 + 40 хПа 55 син 70 X2 85 в/о адреса 81 и 82 поменять ме- 11 X2 26 хП4 41 лг 56 ПхЗ 71 1 стами (х2 :)• 12 1 27 ПП 42 1 57 X 72 Пх8 13 Пх9 28 50 43 0 58 Ч- 73 X2 14 X2 29 Пха 44 X 59 хПв 74 — Таблица 12.436. Программа расчета звукового поля на языке Бейсик для системы бегущей волиы для рупорных громкоговорителей Таблица 12.43а Программа расчета звукового поля иа языке Бейсик для системы бегущей волиы с звуковыми колонкам» 10 REM NAME WOLNA ZW.KOL 20 DATA 400,I.5,*0,400,BO, .975,.95,192 30 READ MO,ZO,Z1,D,В,Et,E2,P1 40 LET C-IOj LET P-940.5: DIM L(5,5) 60 LET Z4-Z1-Z0: LET AO-ATN (Z4ZX0) 70 LET L3-INT (200*LN (PtZXO)ZLN C+P>/Q+3 00 LET L4—L3: GO SUB 500 90 FDR M-i TO 5 100 LET Y—B*(M—1)ZB ItO LET Yl-INT (C*Y*.5>ZCs PRINT yt } t20 FOR N=1 TO 5 130 LET X-D*(N-l)Z4s LET P2-0 150 GO SUB 260 160 LET X«=X+D: GO SUB 260 1B0 LET X-X+D: GO SUB 260 200 LET L-INT (t00*LN P2ZLN C*P)/C 220 PRINT L,i GO SUB 400 230 NEXT N 240 NEXT M 245 LET LO-INT (C*(L4-L3-0.1)>/С 250 PRINT “LO"";LOi GO TO 790 260 LET U-X*COS A0*Z4*SIN AO 270 LET V-Y 200 LET W-X*SIN A0-Z4*C0S AO 290 LET Q1*U*U 300 LET 02«V*V/<1-E2*E2> 310 LET Q3-W»WZ(1-E1»E1) 320 LET P2«P2+P1*P1/(B1-H22+Q3J 330 RETURN 400 LET L1-L3-L 4tO IF Lt<0 THEN GO TO 440 420 LET L3-L3-.lt BO TO 400 440 LET L2-L4-L 450 IF L2>0 THEN GO TO 4B0 460 LET L4-L4+.11 GO TO 440 400 RETURN 500 PRINT "L,dB PRI X.ffl" 520 PRINT "Y,m“ 530 FDR N-l TO 5 540 LET X—D*(N—1>/4 545 LET X-INT (C»X*.5>/C 560 PRINT X.1 NEXT N 570 RETURN 790 STOP Примечание. В п. 180 учитывается действие только трех соседних громкоговорителей. 10 REM NAME WOLNA RUP.GR. 20 DATA 400,1.5,40,40б,06,-975,-95,192 30 READ XO,ZO,Z1,D,B,Et,E2,Pt 40 LET C-lOs LET P-940.5x DIM L(5,5) 60 LET Z4—Zl—ZOs LET AO-ATN (Z4ZX0) 70 LET L3-INT (200*LN (PtZXO)ZLN C+P1ZC BO LET L4-L3f GO SUB 500 90 FOR M—1 TO 5 100 LET Y-B*(M~1)ZB 110 LET Yl-INT (C*Y*.5)ZCs PRINT Y1i 120 FOR N-l TO 5 130 LET X-D*(N-l)Z4z LET P2-O 150 GO SUB 260 160 LET X-X+O: GD SUB 260 1B0 LET X^X+Di GO SUB 260 200 LET L=INT (100»LN P2ZLN C+PIZC 220 PRINT L,: GO SUB 400 230 NEXT N 240 NEXT M 245 LET LO-INT (C*(L4-L3-0.1)}/С 23D PRINT "LO*MjLO: GO TO 790 260 LET U-X*C08 A04Z4*SIN AO 270 LET V-Y 280 LET W-X»SIN AO-Z4*COS AO 290 LET 01-U*U 300 LET D2-V»VZ(1-E2»E2) 310 LET D3->W»WZ (1-E1»E1) 320 LET P2—P2+(P1*UZ(Q1+Q2+B3))л2 330 RETURN 400 LET L1-L3-L 410 IF LK0 THEN GO TO 440 420 LET L3-L3-.it GO TO 400 440 LET L2—L4-L 450 IF L2>0 THEN GO TD 400 460 LET L4-L4+.1: GO TO 440 480 RETURN 500 PRINT PRI X,m” 520 PRINT “У,Hi- 530 FOR N-l TO 5 540 LET X»D*(N-1>Z4 545 LET X-XNT (C*X+.5)ZC 560 PRINT X,x NEXT N 570 RETURN 790 STOP Примечание В п 1бП учитывается действие только трех соседних громкоговорителей. 324
Таблица 12 44. Уровни звукового поля У L. для х. м 0 too 200 300 400 0 95,8 95,9 93,5 91 88,9 10 95,7 95,7 93,4 90,9 88,9 20 95,4 95,3 93,2 90,8 88,8 30 94,8 94,8 92,2 90.6 88,7 40 94,3 94, I 92,4 90,4 88,5 Неравномерность составила 95,9—88,5=7,4 дБ. Заданы интервал d = 400 м, х0 = 400 м (можно брать его немного менее d), ширина полосы 80 м, высота подвеса 40 м (предельно низкая), г= 1,5 м. Громкоговорители рас- положены на середине полосы, поэтому расчет- ные точки берем 0, 20 и 40 м по ширине и 0. 200 и 400 м по длине (можно взять еще про- межуточные точки подлине и по ширине, всего 25 точек). Расчетные значения уровней при- ведены в табл. 12.42. Пример расчета на ДВК-2 звукового поля для системы бегущей волны из звуковых коло- нок по программе, приведенной в табл. 12 43. Исходные данные приведены в программе. Результаты расчета даны в табл. 12.44. Для рупорных громкоговорителей про- грамма для ДВК дана в табл. 12.436. 12.2. ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА ДЛЯ ВОКОДЕРНЫХ ФИЛЬТРОВ (в цифровом исполнении) Введение. К полосовым фильтрам (ПФ), предназначенным для спектрально-полосного вокодера, предъявляют несколько иные тре- бования, чем к полосным фильтрам, предназ- наченным для многоканальной связи. Дело в том, что в многоканальной связи они служат для расфильтровки разных передач и переход сигнала из одного канала в другой недопус- тим. Поэтому частотные характеристики ко- эффициента передачи фильтра имеют крутые спады на границах полосы пропускания, для чего около этих границ создаются всплески частотных характеристик, т е эти характе- ристики создаются не только полюсами фильт- ра, но и нулями. Полосовые фильтры в полосном вокодере расфильтровывают один сигнал на ряд полос и расфильтрованные сигналы имеют сильную взаимную корреляцию. Поэтому переход из одного канала в другой ие представляет по- меху. Но к полосовым фильтрам полосного вокодера предъявляют иные требования: ие допускаются колебания в огибающей импульс- ной характеристике (так называемый «звон») и время затухания этой характеристики долж- но быть возможно меньшим. Вследствие пер- вого требования нули спектра должны быть в центре координат S-плоскости, и порядок фильтра следует выбирать небольшой. Вто- рое требование лучше всего удовлетворяется Рис. 12.9. Цифровой фильтр Бесселя 3-го по- рядка: а — трехзвенная схема фильтров; б — схема звена фильтра фильтрами Бесселя Из практики известно, что наиболее подходящие — фильтры Бесселя 3-го порядка по НЧ фильтру-прототипу. На этом основании выбираем именно такие филь- тры. Непосредственный расчет цифрового фильт- ра Бесселя довольно громоздок Гораздо удоб- нее рассчитывать такой фильтр в аналоговом исполнении и лишь на последней стадии пе- реходить к цифровому исполнению. Ниже при- ведены формулы и программы расчета филь- тра параллельно-последовательного типа (рис. 12.9). На рис. 12.9, а даио одно звено фильтра, а на рис. 12.9, б — его звенья. Известны полосы фильтра-прототипа НЧ Бесселя 3-го порядка: = 2,3221854, р2 = = 1,8389073, q2 = 1,7543810, коэффициенты разложения передаточной функции этого фильтра: т2 = —2,2648959, /2 = —0,6239093 и поправка на полосу пропускания у = 1,4548198. Задаются граничными частотами фильтра, совпадающими с частотами стыка полос про- пускания фильтра. /„ и fB, текущими частота мн f (кГц)*, а также интервалом дискретиза- ции речевого сигнала Т = 1/32 или Т — = 1/16 мс* **. 1. Определяют расчетную полосу пропуска- ния фильтра А)= (/в —/и)/у; Аы-2лА/ •Задают только для расчета АЧХ и ФЧХ. **3адают только для расчета АЧХ, ФЧХ и импульсной характеристики. 325
й Таблица 12.45. Программа расчета цифровых полосовых фильтров °? Для полосного вокодера иа микрокалькуляторе МК-54 I полюсы II коэфф, разложения 111 импульсная характеристика 00 Пхс 45 Пх9 00 Пх7 41 X — у 00 хП1 48 X 01 Пхд 46 X2 01 Пхб 42 01 3 49 Пх8 02 X 47 ПхО 02 X 43 Пх1 02 2 50 Пх1 03 У” 48 X2 03 Пх8 44 X 03 51 X 04 2 49 — 04 Пхб 45 хПа 04 хП1 52 СИН 0b X 50 Пх2 05 X 46 ; 05 Пх4 53 Пхд 06 п 51 06 47 ПхО' 06 X 54 X 07 X 52 2 07 хП9 48 Пхс 07 КОС 55 08 хП2 53 08 Пх7 49 X 08 Пх9 56 Пх7 09 Пхс 54 — 09 Пхб 50 Пх9 09 X 57 Пх1 10 Пхд 55 1 10 X 51 Пхд 10 Пх4 58 X п — 56 + 11 Пх8 52 X И Пх1 59 /-/ ех 12 2 57 У 12 Пхб 53 12 X 60 13 X 58 13 X 54 X—у 13 СИН 61 X 14 п 59 в 14 —р 55 14 ПхО 62 1b X 60 X2 15 хПО 56 Пх1 15 X 63 2 16 Пхв 61 1 16 Пх2 57 X 16 64 X 17 хП1 62 — 17 1 58 хПа 17 ПхЗ 65 хП2 18 63 У” 18 — 59 Пх1 18 Пх1 67 с/п 19 Пха 64 — 19 Пхб 60 Пх7 19 X с/п 20 X 65 хП2 20 X 61 X 20 /-/ ех 67 ПхЗ 21 хПЗ 66 Пх9 21 хПс 62 /-/ 21 68 Пх9 22 Пх2 67 Пх1 22 Пх2 63 хП9 22 X 69 X 23 X2 68 X 23 1 64 ПхЗ 23 Пхб 70 Пх4 24 ПхЗ 69 Пх2 24 + 65 X 24 Пх1 71 ПхО 25 X2 70 1 25 Пхб 66 Пх4 25 X 72 X 26 — 71 4- 26 X 67 26 КОС 73 + 27 У“ 72 27 хПд 68 хПО 27 Пха 74 Пх5 28 хП4 73 хП5 28 X2 69 Пх9 28 X 75 Пха 29 Пх2 74 Пх2 29 Пхс 70 Пха 29 Пхб 76 X 30 Пх1 75 X 30 X2 71 1 “Г 30 Пх1 77 + 31 76 хП7 31 + 72 /-/ 31 X 78 Пхб 32 X2 77 ПхО 32 В 73 хПс 32 СИИ 79 Пхв 33 хП2 78 Пх1 33 В 74 Пх8 33 Пхв 80 X 34 Пх9 79 X 34 ПхО 75 Пх1 34 X 81 + IV коэффициент V АЧХ и ФЧХ VI АЧХ и ФЧХ ЦФ фильтра АФ 00 ПхЗ 49 Пха 00 Пхс 50 хП6 00 Сх 53 X 01 3 50 01 Пхд 51 Пхб 01 хП7 54 Пхб 02 2 51 Пхб 02 X 52 02 хПО 55 X2 03 52 КОС 03 У- 53 атг 03 Пх1 56 Пхб 04 /-/ 53 + 04 хП8 54 хП7 04 п 57 X2 оь ех 54 Пхб 05 п 55 Пхб 05 X 58 + 06 хПЗ 55 X 06 X 56 X2 06 1 59 хП2 07 X2 56 хПО 07 2 57 Пхб 07 6 60 08 хП1 57 Пхб 08 X 58 X2 08 61 хП8 09 Пх4 58 КОС 09 хП2 59 + 09 хП2 62 Пх7 10 3 59 Пхб 10 Пхс 60 У" 10 син 63 + 11 2 60 X 11 Пхд 61 1/х I 11 Пхс 64 хП7 12 хП4 61 2 12 — 62 12 X 65 Пх4 13 62 X 13 п 63 5 13 хПЗ 66 Пхб 14 СИН 63 хП6 14 X 64 X 14 1 67 X 15 ПхО 64 Пх7 15 2 65 хП5 15 Пх2 68 ПхЗ 16 X 65 3 16 X 66 лг 16 КОС 69 Пх5 17 Пх9 66 2 17 Пхв 67 2 17 Пхс 70 X 18 67 18 68 0 18 X 71 19 Пх4 68 /-/ 19 хП1 69 X 19 72 Пхд 20 КОС 69 ех 20 Пх8 70 хП6 20 хП4 73 X 21 70 х117 21 п 71 с/п 21 Пх2 74 Пх2 22 ПхЗ 71 X2 22 X на бор п 22 2 75 23 X 72 хПЗ 23 2 с/п 23 X 76 хП9 24 хП9 73 Пх8 24 X 72 ПХа 24 хП6 77 ПхО 25 Пх4 74 3 25 хПЗ 73 X 25 КОС 78 + 26 КОС 75 2 26 X2 74 Пх1 26 Пхв 79 хПО 27 ПхЗ 76 27 Пх2 75 Пх2 27 X 80 с/п 28 X 77 хП8 28 X2 76 28 Пх2 Вв од: 29 2 78 СИН 29 — 77 У- 29 КОС А2 в2с2 30 X 79 Пхд 30 ПхЗ 78 X 30 Пха БГ ЮЗ с/п 31 хП4 80 X 31 79 /-/ 31 X Вв од: а3 32 33 Пхб 3 81 82 Пхс 32 33 пХ1 80 81 1 + 32 33 1 ^3 БГ я3с3 103 с/п 34 2 83 Пх8 34 хП4 82 хП9 34 + с/п
Продолжение табл. 12.45 35 х2 80 1 35 Пхд 76 X 36 ПхО 81 Пх2 36 X 77 Пхв 37 х2 82 - 37 Пх9 78 — 38 + 83 : 38 Пхс 79 хПд 39 Пх2 84 хПб 39 X 80 с/п 40 : 85 Пх2 40 - 41 4 86 X Ввод: 42 : 87 /-/ хП1 Д<о хП2 у2 43 В 88 хП8 хПЗ al хП4 <о! хП5 а2 хПб w2 44 х2 89 с/ц хП7 —2,2648959 Ввод: хП8 —0.6239093 хП9 1,8389073 хПО 1,7543810 Вывод: хПа 1,1610927 Пх9 al ПхО Р1 хПв 1.4 548198 Пха а2 Пхв Р2 хПс /в : хПд Пхс аЗ Пхд РЗ Вывод: Пх1 Д<о Пх2 № Пх8 al Пх4 ml Пх5 а2 1 Пхб <о2 Пх7 аЗ Эх 8 <оЗ 35 - 82 Пх7 35 : 84 КОС 36 Пх5 83 Пхс 36 /-/ 85 37 Пх1 84 X 37 ех 86 Пх7 38 X 85 + 38 хП5 87 X 39 /-/ 86 Пх8 39 х2 88 хПа 40 ех 87. Пхд 40 хП2 89 Пх8 41 X 88 X 41 Пхб 90 КОС 42 + 89 + 42 3 91 Пх7 43 Пх8 90 с/п 43 2 92 X 44 93 2 44 Пх1 набор n 45 хПб 94 X 45 X в/о с/п 46 син 95 хП8 46 кос Повтор 47 Пхв 96 с/п 47 Пхс набора п 48 X Ввод: И т хП1 . д. п хПЗ al хП4 <1)1 Ввод: хП5 а2 хПб ш2 хП7 аЗ хП8 <оЗ хПЗ al хП4 ml хП9 al хПО Р1 хП5 а2 хПб <1)2 хПа а2 хПв Р2 хП7 аЗ хП8 <1)3 xllc аЗ ХПд Вывод: Пх2 рз хП9 al хПа а2 хПО хПв Р1 Р2 x = S (akafe+ +Pk wh) хПс аЗ хПч рз Вывод: Пх1 VI Пх2 —> —>V2 ПхЗУЗ Пх4 U\ Пхб—> —>6'2 Пх86/3 Пх9 W1 ПхО—> —>№2 Пха№3 35 х2 83 1/х 35 хП5 81 Пх7 36 6 84 хПО 36 Пх2 82 : 37 X 85 Пх8 37 СИИ 83 ат г 38 /-/ 86 X 38 Пха 84 хП9 39 1 87 хПО 39 X 85 ПхО 40 5 88 Пх9 40 Пхб 86 х2 41 + 89 Пх8 41 СИН 87 Пх7 42 хП5 90 X 42 Пхв 88 х2 43 1 91 хП9 43 X 89 + 44 5 92 БП 44 — 90 у- 45 Пх4 93 21 45 хПб 91 хП7 46 х2 набор п 46 ПхЗ 92 лг 47 — с/п 47 X 93 2 48 Пх4 и т. д. 48 Пх4 94 0 49 X 49 Пхб 95 X Ввод: хПа 0,06 50 X 96 хП8 хПв 1,4548198 51 “Н 97 с/п хПс /в хПд /н 52 Пхд смеиа / Вывод: хП1 / хПа 6/А хПв V/, хПс Wk Пх1 Д<о Пх2 <i)n хПд «Л *=1; 2; 3 ПхЗ <о Пх4 Q Пх5 Н 11X0 /УДЬ Пх7 <р Пх8 /о Вывод: Пх7 Пз9 /—ПхО t+ Пх8 ф Пх9 N дБ и
й ее центральную частоту /о=(/в/н)1/2; <оо = 2л/0. 2. Определяют полюсы фильтра по вспомогательным величинам: Z=(w0/A<o)2, 4 = (p“+^)/(4Z); С= (pg—<7i)/(2Z); в=л+(Д2—c+i)1?2; у2 = В—(Ва—I)1/2', Ot^lPi'2) До; Wj = (<d§ — с?)1/2, аг — Рг Дсо/(1+у2); w2 = <7s До/(1— у2); Сз — Озу1; ws=— 3. Определяют коэффициенты разложения передаточной функции фильтра ал, Ph по вспомогательным величинам £ = щ2а2 Ьр2 ы2; D = m2w2—/2о2; G=a2(y2—1); £=<о2 (у2+1); a1 = —mi До, Р; —ajOj/oj; a2=(D£-£G) Aw/(£2-|-G2); P2 = (DG+f£) A<o/(£2-{-G2); а3=т1Д<в—a2; р3=/,Д<в—p2- 4а. Находят коэффициенты фильтра (для его реализации) 1/ь=2 cos Т ехр (— аь Т), Уд = ехр (—2аь 7"), / ph \ ITh = I cos од Т+-sin <0h T |exp(—ah 7). \ «л / 46. Рассчитывают импульсную характерис- тику фильтра (для моделирования) з h(nT)—2 У, (од cos a>h «Г— ' k= i — Ph sin 0)h nT) exp (— ah nT), где n = 0, 1, 2, ... до h (nT)l » 0. 4.b. Рассчитывают АЧХ и ФЧХ (для раз- личных расчетов) // (Z) ={(Re)2-f- (Im)2]1'2, Янор = (fB), АГц.Ф = 201g//(/). дБ. Фц.ф(/) = = arctg [Im/Re], з где Re= 2 ah(PhRh +QkSh)/(R2k + S2)i ft=t з Im= 2 ak(QbRh-PhSk)l(Rik+S*k)t k= i Ph=l— IThCOsfl; Qh = «7hSin0; Rh =1 —Uh cos 0 + Vh cos 20; Sft = GhSin0—Ph sin 20, 0 = <oT; (о = 2л/ Ниже приведены программы расчета фильт- ров на микрокалькуляторе МК-54 (табл. 12.45). Пример расчета на микрокалькуляторе МК-54. Заданы частоты фильтра /н = 0,96 кГц и /в = 1,14 кГц. Интервал дискретизации 7 = = 1/32 мс, точность 8 знаков (без нулей). Угловая полоса пропускания До» = = 0,77739751 крад/с. Центральная частота полосы f0 = 1,0461357 кГц. Центральная уг- ловая частота ш0 = 6,5730648 град/с. Составляющие полюсов: (у1 = 0,8119323) aj = 0,90263057 <о1 = 6,5Ю7935 а2 = 0,78897089 <о2 = 7,2519249 а3 = 0,640691 И (о3 = —5,8880735' Коэффициенты разложения: а, = 1 ,7607244 р, = 0,24409984 а2=—0,94671173 р2 =—0,36271362 а3=—0,8140127 рз= —0,12231192 Управляющие коэффициенты фильтра: t/1 = l ,9042669 Ц2= 1,9013992 U„= 1,9272688 V, = 0,945514735 ITj = 0,97936739 К2 = 0,95188539 Г,=1,0346877 У3 = 0,96075391 1Г3 = 0,9366872 Импульсная характеристика (отсчеты уве- личены в 103 раз) приведена в табл. 12.46, АЧХ и ФЧХ фильтров —в табл. 12.47. Таблица 12.46. Импульсная характеристика п л (лП п h (пТ) 0 0 77 —600,17648 1 3,24258 91 551,6271 2 11,95148 106 —453.29156 3 24,18606 122 345,362 4 37,63744 137 —246,9577 5 49,874 152 162,64134 6 58,58178 167 —96,663966 7 61,78348 182 49,31173 8 58,02898 199 —24,208029 9 46,533514 201 —26,07824 10 27,258648 221 13,156907 И 0,93384 240 — 11,173552 12 —30,98512 258 9.764447 13 —66,41488 275 —7,4844108 14 —102,79228 293 4,498888 15 — 137,26264 18 —200,77 24 —8,87 25 58.15 32 38,769 38 45,73 39 —55.47 46 —544,33.382 61 621,31572 328
Таблица 12.47 Л f, КГц N(f). дБ N, дБ Ф, рад Примечание 0 4 20 —4 —20 а) 1,0461357 0,95979079 0,61446097 1,1402483 1,7812179 АЧХ и ФЧХ ци$ 24,082412 22,071202 —11,175239 22,07157 — 11,175347 ярового фильтра 0 —2,01121 - 35,257651 —2,010842 - 35,257759 0 — 1,4522496 —0,9312081 + 1,4522308 +0,9312743 Перескок фазы на л Перескок фазы на л При м еч a hi 0 4 20 —4 —20 е. На центрально б) АЧХ 1,0461357 0,95979779 0,61446097 1,1402483 1,7812179 й частоте усиление и ФЧХ аналогов фильтра равно 24, ого фильтра-про! 0 — 2,0110048 —35,258234 —2,0110048 35,258234 082412 дБ. отипа 0 — 1,4522424 —0,931276 + 1,452224 +0,931276 Перескок фазы на л Перескок фазы на л В табл. 12.48 приведена программа рас- чета фильтра на языке Бейсик, а в табл. 12.49а, б, в данные расчета коэффици- ентов фильтра, импульсной и частотной ха- рактеристик его. Таблица 12.49а. Параметры цифрового фильтра £0 = 1,0461357 кГц, /70=0,96 кГц, В0=1,14 кГц 01=0,12372666 кГц Коэффициенты фильтра м и V W 1 1,9042669 0,94514737 0,97936732 2 1,9013994 0,95188534 1,0346878 3 1,9272689 0,96075395 0,93668733 Таблица 12.49в. Частотная характеристика коэффициента передачи К F(K). кГц Н(К> ПК), дБ Q(K) 1 0,61 0,28 -11,1 —0,93 5 0,7 0,67 —3,5 —0,7 9 0,79 1,78 5,0 —0,32 13 0,87 5,35 14,6 0,39 17 0,96 12,69 22,1 —1,45 21 1.05 16 24,1 0 25 1,14 12,69 22,1 1,45 29 1,25 5,35 14,6 —0,39 33 1,39 1,78 5 0,32 37 1,56 0,67 —3,5 0,7 41 1,78 0,28 —11,1 0,93 Примечание. Для сокращения объема импульс- ная характеристика дана только для экстремальных значений, а частотная характеристика только для 11 частот. Таблица 12.496. Импульсная характеристика N h (N)xlO3 1 0 N h (N)XlO3 8 61,778965 19 —200,7618 33 388,68841 47 - 544,3381 N h (N)xlO3 62 621,31604 77 - -616,4487 92 557,62775 107 - 453,2915 N h (N)xlO3 123 345,36245 138 —246,95722 153 162,64056 169 —99,321701 N h (N)xlO3 185 54,34477 202 - 26,077801 222 13,156502 240 - 11,173274 329
Таблица 12.48. Программа расчета вокодерного фильтра в цифровом исполнении на языке Бейсик 10 DATA 2.322105»!.038907,1.754381»1.45402»-2.264096»-0.623909 11 DIM Al(3)»А<3)»В<3)»С<3)»С1<33»S1<3) 15 ОРЕМ "LPe" FOR OUTPUT AS FILE *6 20 READ P1»P2»O2»G1»M2»L2 30 PRINT ’ГРАНИЧНЫЕ ЧАСТОТЫ •ИЛЬ TP A ~ 40 INPUT НО»ВО 60 D0“2»PI*(ВО-НО)7G1 70 FO-SOR(BO«HO) \ C0=2*PI*F0 90 PRINT t6»"FO=’;FOl*'HO’“;HO:'BO»’;BO:'CO»’)CO 100 Xe(C0/D0)A2 110 Y=(P2A2+Q2A2)/(4*X) 120 Ы=(Р2А2-02Л2)/(2»Х) 130 Z=Y+SQR(YA2-«+l) 140 Y2=Z~SQR(ZA2-1) 150 Si(1)=Pl»D0/2 160 Cl(1)=SQR(CO*2~S1Cl)*2) 170 S1(2)=P2*DO/(1*Y2) 180 Cl(2)=Q2*D0/(l-Y2) 190 S1(3)=S(2)*Y2 \ C1(3)»-C1(2)«Y2 210 F’M2*S1(2) 4-2*01(2) 220 D«M2*C1(2)-L2*Sl(2) 230 G-Sl(2)*(Y2-1) 240 E®C1(2)*(Y2+1) 260 Al(l)«-H2»D0 270 Bl(1)~A1(1)«SI(1)/C1(1) 280 Ai(2)=(D*E-F*G)»D0/(EA2*GA2) 290 Bl (2)(D«G*F*E)*D0/(ЕЛ2+6Л2) 300 A1(3)-M2«DO-A1(2) 310 Bl (3)=L2*DO-B1(2) 320 T-l/32 325 PRINT 16,'Al"»’A"»"B’,"C" 330 FOR J=1 TO 3 340 A(J)-2*C0S(Cl(J)*T)*EXP(-S1(J)*T) 350 B(J)«EXP(-2*S1(J)*T) 360 C(J)«(COS(Cl(J)*T)♦(Bl(J)/А1(J))*SIN(ClIJ)*T))>EXP(-S1(J)-T) 370 PRINT *6»A(J)»B(J)»C(J) 380 NEXT J 390 PRINT t6,"N~;’H2‘ 410 FOR N-0 TO 300 420 H2-0 430 FOR J-l TO 3 440 H2=H2*(A1(J)«CDS(Cl(J)*T*N)-B1(J)<SIN(C1(J)*T*N))»EXP(-S1(J)*T<N) 450 NEXT J \ H2«H2*2 460 PRINT 46»N»H2 470 NEXT N 495 PRINT ♦6»“K-»'F1*»“H1"»’L1"»’O1' 500 FOR K=0 TO 20 510 Dl».06*SQR(D0/C0)«К 515 F1«FO/(1-D1) 520 GOSUB TO 570 530 F1=FO/(1-D1) 540 GOSUB TO 570 550 NEXT К \ GO TO 1000 570 T1=2»PI*T»F1 500 R1=O \ U»0 600 FOR J=l TO 3 610 P-1-C(J)»COS(T1) 620 R»1-A(J)COS(T1)+B(J)*CDS(2*T1) 630 S-A(J)*SIN(T1)-B(J)*SIN(2«T1) 640 0=C(J)*SIN(T1) 650 R1=R1*A(J)•(P«R+Q*S)/(R~2+S~2) 660 I1-I1+A1(J)»(P*S-Q»R)/(R~2*S~2) 670 NEXT J 680 Qi»ATN(I/Rl) \ H1-SQR(R1A2+I1*2' 700 Ll=20*L0G(Hl)/LOG(10) 720 PRINT *6>K»F1»HI,L1»P1 740 RETURN 1000 CLOSE 16 10000 END 330
Пояснения к программе расчета фильтра на Бейсике Первой строкой (DATA) идут данные пара- метров фильтра Бесселя 3-го порядка Затем размерности полюсов фильтра (SI, С1), ко- эффициентов разложения (А/, В/) и коэффи- циентов фильтра (Li, V, IT), за пей идет строка с командой на печать. Под адресом 20 дана строка READ с буквенным обозначением па- раметров фильтра к первой строке. Следующая строка дает высвечивание на дисплее: «Гра ничные частоты фильтра». Это означает, что при запуске программы на счет надо ввести эти частоты (строка Н, , В ) Далее идет расчет ширины полосы про- пускания. средней частоты (угловой и ли- нейной) в соответствии с формулами, приведен- ными выше. Строки с адресами 100—310 также точно соответствуют приведенным выше фор- мулам. В строке 320 задаемся интервалом кван- тования во времени. Рекомендуется Т - 1/32 мс. В строках 330—380 дан расчет коэффициентов цифрового фильтра для трех полюсов. В строках 410 -470 дан расчет им- пульсной функции в виде суммы от трех полю- сов Импульсная функция определяется для 240—300 значений времени При суммирова нии для каждой ординаты импульсной функ- ции она обнуляется в адресе 420. В адресе 450 функция удваивается для ее нормализа- ции. В адресах 500—550 дается расчет частот, для которых надо определить функцию пере- дачи. Таких частот взято 20 с каждой стороны средней частоты Интервалы по частоте выбра- ны по эмпирической формуле, выведенной на ми (Эта формула дает для всех фильтров воко- дера изменение функции передачи в пределах 30. ..35 дБ, что всегда достаточно.) После опре- деления каждого значения частоты идет пере- ход к подпрограмме для определения функ- ции передачи. В этой подпрограмме сначала определяют аргумент функции Т1: обнуляют вещественную и мнимую составляющие функ- ции и вычисляют составляющие функции пе- редачи для трех нар полюсов в соответствии с формулами, приведенными выше. После это- го определяют модуль функции, фазу и на ходят функцию передачи в децибелах. В ад ресах с оператором PRINT дается вывод ве- личин на печать или дисплей. Для программ на языке Бейсик в данном случае вводим сле- дующие обозначения: Д/=О1 wi2 — М2 ад=А1 (У) a/,=Si (У) А> = F0 q,= Q2 рл = В1 (./) Ф (/)=<?! 1ч~ Н0 t/3=-Y2 у G1 Л — Р1 1ч = В0 Н (/) Н\ <оЛ-=С1 (У) К У Ръ Р? h (пТ) — Н2 ы(, — С0 /У=Г1 Р, PI Re^RI Дсо D0 п N /г = Г2 Im /1 0 Т1 Примечание. По техническим причинам программа 12.48 была сфотографирована в era ром варианте, и поэтому ряд обозначений в ней не совпадает с соответствующими формулами. Следует сделать замену обозначений в п.о- грамме 12.48 на следующие. X — 7. Y—A, A — U, B — V, W—C, Z—B С- W и в позиции 680 есть опечатка’ напечатано QI ATN(I'Rl). надо QI ATN(I1 R1) 12.3. ПРОГРАММЫ ДЛЯ РАСЧЕТА РАЗБОРЧИВОСТИ РЕЧИ И ОБЩЕГО УРОВНЯ ПЕРЕДАЧИ РЕЧИ В основе программирования расчета раз- борчивости речи лежат соотношения, приве- денные в разд’. 10 7. Весь расчет ведется на октавных частотах 250, 500. 1000. 2000, 4000 и 6000 Гц. Всегда заданными считаются вели чины спектральных уровней речи на расстоя- нии 1 м от рта. В (К) поправки на дифракцию D(K) около головы слушателя (см. табл. 12.50), ширина полосы частот А/ и показатель сте- пени S для определения коэффициента раз- борчивости (S 1.8073549) Таблица 12.50. Исходные параметры расчета /пит. 1 11 250 500 1000 2000 4000 6000 к 12 3 4 5 6 В(К). дБ 45.5 41.5 33 25,5 18,5 15,5 D(A), дБ 1 1,8 2.7 4,2 5,4 5,9 А/, Гц 175 350 700 1400 2800 2000 Для каждого расчета надо знать спектраль- ные уровни акустических шумов G (К) и ин деке тракта Q (К), причем для помещений еще надо иметь данные о времени ревербера- ции Т (/<). акустическом отношении R (К), для открытых пространств уровни отраженных сигналов R1 и взаимных помех Г/. По заданному расстоянию микрофона от рта (г в метрах) вычисляют спектральные уровни у слушателя С В (К) — 201gr -|- + Q (К) и спектральные уровни шумов с по- правкой па время реверберации (только для помещений) U С (К) + tOlgT' (К). Затем находят спектральные уровни помех. Для по- мещений F С lOlgR (К) ' 501g Т (К) 3 D (К) 21. а для открытых пространств F С-*- 101g (10° |/?/ 1 IO0’171) + D (К)*- •В отсутствие отраженных сигналов и взаимных помех Т1 Р1 —27 дБ. 331
Далее находят суммарный уровень помех и шумов Н = 101g(10°'1U) + iOo,lF) и уровень ощущения речи Е — С — И. По уровню ощу- щения речи находят коэффициент разборчи- вости W для пяти участков соответствующей зависимости W = f (£): Для участков Е < —12 дБ W 0; Е > >30 дБ 1Г=1; — 12<£<0дБ W = = (Е + 6)/30 + 0,06(—£/6)s; 0 < £ < 18 дБ 1Г = (£ + 6)/30; 18 < £ < 30 дБ W = - (£ + 6)/30 — 0,06 (£+6)/6)s. Полученные значения W суммируют с ве- совыми коэффициентами и находят формант- ную разборчивость речи А = 0,05 (W (1) + + 3 W (2) + 4 W (3) + 6 W (4) + 5 W (5) + + 1Г(6)). Пример расчета разборчивости речи для аудитории с данными, приведенными в табл. 12.51. Таблица 12.51. Исходные параметры расчета________________ К 1 2 3 4 5 6 G(K), дБ 34 30 21,5 13,5 7,5 2 £(£), с 0,79 0,74 0,78 0,72 0,70 0,62 £(£), дБ 2,95 1,7 1,5 1,1 0,98 0,8 Q(£), дБ (г=0,5) — 18 —7 —9 —9 —3 —8 По программе, приведенной в табл. 12.52. получаем следующие данные коэффициентов разборчивости речи и формантной разборчи- вости К ... I 2 з 4 .> 6 И7(К) . 0,21 0.57 0.5 0.53 0.66 0,62 Формантная разборчивость А (0,21 |- + 3 • 0,57 + 4-0,5 + 6 0,53 + 5 0,66 + + 0,62)/20 = 0,55. При А = 0,55 отличная понятность речи. Получили несколько заниженное значение разборчивости в полосе ниже 500 Гц, но оно необходимо для устойчивости работы звуко- усилительной аппаратуры из-за обратной акус- тической связи. Пример расчета разборчивости речи для лектория, находящегося на открытом возду- хе. Задано: шумы речевого типа с уровнем 60 дБ, остальные данные приведены в табл. 12.53. Отраженных сигналов нет (R1 —27 дБ), взаимных помех нет (Т1 - —27 дБ). Рас- стояние от микрофона г = 0,5 м. По программе, приведенной в табл. 12.54, находим коэффициенты разборчивости и фор- мантную разборчивость: 47(1) 0,51; № (2) = 0,41; 1Г (3) =0,51; W (4) = 0,58; 1Г (5) = 0,57; 1Г (6) = 0,65; А = 0,54. Таблица 12.52. Программа расчета на языке Бейсик разборчивости речи для помещений S PRINT "INPUT Ы POZ.11,131 В (К),ООО" 4 PRINT "INPUT Ы POZ. 15,17: ТОО ,R(K).". 3 PRINT "INPUT Ы P0Z.19:r" 6 DIM G<6): DIM Q<6): DIM T (6) В DIM R<6): DIM B<6): DIM D<6) 10 DIM W<6): DIM C<6) 11 DATA 34,30,21.5,13.3,7.5,2 12 READ G<1>,G<2),G(3),B<4>,B(5>,G<6> 13 DATA -IB,-7,-9,-9,-3,-8 14 READ Q<1>,Q<2>,Q<3>,Q<4),Q<3>,Q16> 13 DATA .79,.74,.78,.72,.70,.62 16 READ T<1),T<2),T(3>,T<4>,T<3>,T<6> 17 DATA 4.7,2.3,1.8,.4,—.1,-1 18 READ Rd),R12>,R(3>,R<4),R<3>,R(6) 19 LET r-.З: PRINT "HIKI"' 21 DATA 45.5,41.5,33,25.5,18.3,15.5 22 READ 8(1),8(2),B<3),B<4),B<5),B<6> 23 DATA 1,1.8,2.7,4.2,5.4,5.9 24 READ D<1),D<2),D(3),D<4),D<3),D<6) 35 LET S-l.8073549: LET O10 40 FOR K«1 TO 6 ' 45 LET C<K)*B(K)-20»LN r/LN C*Q<K) ,30 LET U*G(K)TC*LN TIK7/LN C 60 LET R1*R(K>| LET Tl=50»LN TOO/LN C/3 63 LET F=C<K)+R1+T1+D OO —21 70 LET H*C»LN (C~(U/C)♦C~<F/C))/LN C 80 LET E-COO-H: LET El*(E*6)/30 90 IF E>»-12 THEN GO TO 120 1OO LET W<K)*O: BO TO 220 120 IF E<=3O THEN 80 TD 150 130 LET Ы(К)=1: Go TO 220 150 IF EX THtN GO TO 1B0 160 LET W<K>*E1+.O6»(-E/6)~S 170 GO TO 220 180 IF E<-1B THEN GO TO 210 190 LET W<K)=E1-.06*<IE—18)/6)—S 200 GO TO 220 210 LET W(K)*E1 215 LET W(K)=INT dO0*W(K)+. 5)/100 220 PRINT W(K)‘: NEXT К 230 LET A1-(UI<1)+3»U<2)+4»UI<3))/20 240 LET A2=<64W(4)♦5»W<3)+W(6))/20 250 LET A-A1+A2: PRINT "A*";A 260 LET 1*0 270 FOR K“1 TO 5 280 LET I«I +173*2-(K—1)»C-(С(К)/С) 290 NEXT К 300 LET I*I+2000*C-(C(6)/C) 310 LET L*INT (1OO.LN I/LN C+.5)/C 320 PRINT "L*"jL;"dB" 400 STOP Таблица 12.53. Исходные параметры расчета К 1 2 3 4 5 6 G(K), дБ 34 31 21,5 13,5 7,5 2 Q(£), дБ —8 —10 —8 —6 —5 —4 Весь речевой диапазон проходит одина- ково. После расчета разборчивости речи следует рассчитать общий уровень речевого сигнала с учетом фактического индекса тракта. Поэтому в программы такого расчета включают под- 332
Таблица 12.54. Программа расчета на языке Бейсик разборчивости речи для открытых пространств 6 print "input v 7 PRINT "INPUT г V POZ 19" 8 DIM W(6)i DIM C(6)x DIM B(6)x DIM D(6) 10 DIM G(6)i DIM Q(6)x DIM T(6): DIM R(6) 11 DATA 34,31,21.3,13.5,7.5,2 12 READ G(l),G(2),G(3),G(4),G(5),G(6) 13 DATA -8,-10,-8,-6,-3,-4 14 READ 0(1),Q(2),0(3),0(4),Q(5),0(6) 13 DATA -27,-27,-27,-27,-27,-27 16 READ T(l),T(2),T(3),T(4),T(3),T(6) 17>DATA -27,-27,-27,-27,-27,-27 IB READ Rtl),R(2),R(3),R(4),R(3),R(6) 19 LET r«.5i PRINT "W(K)"’ 20 21 22 23 30 40 30 55 60 65 70 80 90 lOO 120 130 130 160 170 DATA 45.3.41.5,33,25.5,18.3,13.3 READ B(l),B(2),0(3),B(4),B(5),B(6) DATA 1,1.8,2.7,4.2,5.4,5.9 READ D<1>,D<2>,D<3),D(4),D(5).D<6) 1 =T S-t.00735491 LET C»1O K-l TO 6 С(K).8<K>-2O*LN r/LN C+Q(K) U«G(K) LET FOR LET LET Rl-C~<R(К)/С>i LET T1=C-<T<K)/С* LET F=C<K)+C»LN (Rl.Til/LN C+D<K> LET H-C.LN <C*tU/C)*C''(FZC> ) ZLN C LET E-C(K>-H: LET El.(Е+б)/30 IF E>—12 THEN GO TD 120 LET W(K>.0: GO TD 220 IF E<«30 THEN GD TD 150 LET W(K).li GO TO 220 IF E>=0 THEN GD TO 180 LET W<K>-E1+.O6«<-E/6>~B GD TD 220 180 IF E<=>18 THEN GO TO 210 190 LET W(K)>Et-.06><<E-18>/6>~S 200 BD TD 220 210 LET W(K>=*E1 215 LET W(K).INT (lOO.WCK).,51/100 220 PRINT W(K)4 NEXT К 230 LET Al= (Ul <1 >.3.W<21.4.W<3> > /20 235 LET A2.(b*W(4)+5»W<5)*W<6>1/20 240 LET A«A1+A2i PRINT “A-")A 260 LET I.О ff 270 FOR K-l TO 5 280 LET I-1 + 1 75»2Л (к-1) »C~ (О <K> /С) 290 NEXT К 300 LET I—1+2000»СЛ<C<61/С) 310 LET L-INT <100»LN I/LN C..51/C 320 PRINT “L-"jL;"d8" 400 STOP программу расчета обшего уровня речи. Ис- ходными данными являются формулы, при- веденные в § 10.8 Применительно к введен- ным обозначениям формулу расчета общего уровня речи записывают так: / 5 Г = 10 1g / = 10 1g { V ю0-1 с<А>х \fc= 1 X175.2(fe^1)+100J-c‘6) . 2000 j , где спектральные уровни речи иа выходе тракта Врс заменены на С (/г), а ширина поло- сы Л/Окг на 1 75.2(А-*) для первых пяти полос, а для шестой полосы она оставлена без пре- образования. Этот расчет дает максимальный средний уровень, пиковый уровень будет вы- ше на 12 дБ. Для рассмотренных примеров расчета по- лучаем: для помещения L — 67,6 дБ; для лек- тория на открытом воздухе L = 68,8 дБ Замечания к программам Программы составлены без учета вывода данных и самой программы на печать. Для вы- вода нх иа печать следует добавить в начало программы две строки название программы и указание для печати, указание на номер фай- ла после каждого оператора PRINT и OPEN в начале программ и CLOSE в ее конце, как и в случае расчета уровней звукового поля (см. § 12.1). В целях компактности программ для пе- чати в кинге длина строк программ взята ие более чем на 45 знаков. Поэтому пришлось ряд строк с данными и размерностью разделить иа несколько строк (вместо 3 строк получилось 13). Кроме того, длинные формулы были раз- делены с заменой их частей вспомогательны- ми величинами В остальном выражения в программах соответствуют приведенным выше формулам. Для коэффициента разборчивости и для общего уровня речи сделано округление для 1Г с точностью 0,01, а для уровня L 0.1 дБ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ОБЩАЯ 1. Иофе В. К., Ямпольский А. А. Расчет- ные графики и таблицы по электроакустике. — М. Л : Госэнергоиздат, 1954. — 452 с 2. Сапожков М. А. Электроакустика. Учеб- ник для вузов. — М.: Связь, 1978. — 272 с. 3. Дрейзен И. Г. Электроакустика и зву- ковое вещание. — М.: Связьиздат, 1961. — 542 с. 4 Римский-Корсаков А. В. Электроакусти- ка. — М.: Связь, 1973. — 272 с 5. Иофе В. К. Электроакустика. — М.: Связь, 1973. — 272 с. 6. Вахитов Я. Ш. Теоретические основы электроакустики и электроакустической аппа- ратуры.— М.: Искусство, 1982. — 416 с. 7. Taschenbuch der Technischen Acustik. — Berlin: Heckl/Milller, Springer Verlag, 1975. — 536 S. 8. Taschenbuch-Akustik, 2 B. Red. W. Fa- sold, W. Schrimer. — Berlin. VEB Verlag 1984 — 1723 S. 9. Tremaine H. M. Audio Cyclopedia. — N. Y.: H W. Sams & Co, 1982. — 1758 p 10. Davis D and C. Sound System Engi- neering. — N. Y.: H. W. Sams & Co, 1979. — 296 p. 333
ПО РАЗДЕЛАМ 1.1 Скучнк Е. Основы акустики. В 2 то- мах: Пер. с англ. Под ред. Л. М. Лямшева. — М.: Мир, 1976. — 1042 с. 1.2 . Стретт В, (лорд Релей) Теория звука: Пер с англ /Под ред. С. М Рытова Изд 2-е. — М.: Гостехиздат, 1955 — 980 с. 1.3 . Фурдуев В. В. Акустические основы вещания. — М : Связьиздат, i960. — 320 с. 1.4 Иофе В. К. Некоторые вопросы прие- ма и воспроизведения звука. Доклад по опуб- ликованным работам на соискание ученой степени доктора технических наук. — МЭИС, 1970. 42 с 2.1. Ржевкни С. Н. Слух и речь в свете со- временных исследований. — М.—Л.: ОНТИ НКПТ СССР, 1936. — 312 с. 2.2. Цвнккер В., Фельдкеллер Р. Ухо как приемник информации: Пер с нем./Под ред. В Г. Белкина. — М . Связь, 1971. — 216 с. 2.3. Fletcher Н. Speech and Hearing in Communication — N. Y.: D van Nostrand Co, 1953 — 840 p. 3 1. Харкевнч А. А. Спектры и анализ. — M.: ГИТТЛ, 1953. - 216 с. 3.2. Сапожков М. А. Речевой сигнал в ки- бернетике и связи. —М.: Связьиздат, 1963 - 452 с. 3 3.Фланаган Дж. Л. Анализ, синтез и вос- приятие речи: Пер. с англ. Под ред. А. А. Пи- рогова. — М.: Связь. 1968. — 394 с. 3.4. Шитов Л. В., Белкнн Б. Г. Статистиче- ские характеристики сигналов представляю- щие натуральные звучания, и их применение при исследовании электроакустических сис- тем. — Труды НИКФИ, вып. 56. — М.: 1970. 3.5. Фант Г. Акустическая теория рече- образования: Пер. с англ Под ред. В. С. Гри- горьева. — М.. Наука, 1964. — 284 с. 4.1. Харкевнч А. А. Теория электроакус- тических аппаратов. — М.: Связьиздат, 1940 — 364 с. 4.2. Харкевнч А. А. Теория преобразова- телей. — М.—Л.: Госэнергоиздат, 1948. — 192 с. 4.3. Фурдуев В. В. Теоремы взаимности в механических, акустических и электромехани- ческих четырехполюсниках. — М.: Гостех- издат. 1948. — 146 с. 5.1. ГОСТ 6495—84. Микрофоны, общие технические условия 5.2. Иофе В. К.. Корольков В. Г., Сапож- ков М. А. Справочник по акустике. — At: Связь. 1979. — 312 с. 5.3. Каталог; изделия с маркой «Октава». — Тула: Коммунар. 1985. — 12 с. 5.4. Ковалгнн Ю. А., Борисенко А. В., Гензель Г. С. Акустические основы стерео- фонии. — М.: Связь, 1978. — 336 с. 5.5. Никонов А. В. Звукотехническое обо- рудование радиодомов и телецентров. — М.: Радио и связь, 1986. — 148 с. 5.6. Catalog: microhones. AKG acoustics, 1985. — 48 p 5.7. Catalog 110 condenser microphones, Georg—Neumann GMBH. 1985. — 72 p 5.8. Revue 12: microphones, Sennheiser electronic KG, 1986. — 160 c. 6.1. Алдошина И. А., Войшвнлло А. Г. Высококачественные акустические системы и излучатели. — М.: Радио и связь, 1985. — 168 с. 6.2. Болотников И. М. Громкоговорители.— М.: Искусство, 1971. — 262 с. 6.3. Виноградова Э. Л. Конструирование громкоговорителей со сглаженными частот- ными характеристиками. — М.: Энергия 1978. — 49 с. 6.4. ГОСТ 13491 — 68. Телефоны электро- магнитные для телефонных аппаратов общего применения. 6.5. ОСТ 4.383.001.85. Головки громкогово- рителей прямого излучения. Общие техничес- кие условия. 6.6. ГОСТ 16122—84. Громкоговорители. Методы электроакустических измерений. 6.7. ГОСТ 23262—83. Системы акустичес кие. Общие технические требования. 6.8. ГОСТ 12089—66. Громкоговорители рупорные общего назначения. Общиетехничес- ческие условия. 6.9. ГОСТ 5961—76. Громкоговорители абонентские. Общие технические условия. 6.10. ГОСТ 18286—82. Приемники тех- программные проводного вещания. Общие технические требования. 6.11. Иофе В. К., Лнзунков М. В. Бытовые акустические системы. — М.: Радио и связь, 1984. — 96 с. 6.12 Кононовнч Л. М., Ковалгин Ю. А. Стереофоническое воспроизведение звука. — М.: Радио и связь. 1981. — 185 с. 6.13. Рачев Д. Вопросы любительского высококачественного звуковоспроизведения Пер. с болг — Л : Энергоиздат, 1981. —184 с 6.14 Техника высококачественного зву- ковоспроизведения под ред. Н. Е. Сухова. — Киев: Техника. 1985. — 159 с. 6.15. Урбанский Б. Электроакустика в вопросах и ответах'Пер. с польск — М.: Радио и связь. 1981. — 248 с. 6.16. Харкевнч А. А. Электроакустичес- кая аппаратура. — Л.—М.: Госэнергоиздат, 1933. — 256 с. 6.17 Хоег В., Штайнке Г. Основы стерео- фонии Пер. с нем. — М.: Связь, 1975. — 88 с. 6.18 Шифман Д. X. Громкоговорители. — М Искусство. 1975 — 248 с. 7.1. Ведомственные нормы технологичес- кого проектирования объектов телевидения, радиовещания и телекинопроизводства ВНТП—01—81. —М РИО Гостелерадио, 1982. — 160 с. 8.1. Папернов Л. 3. Озвучение открытых пространств. —М.: Связьиздат. 1963. — 102 с. 8.2. Сапожков М. А. Звукофикация по- мещений. — М.: Связь, 1979 — 144 с. 8.3. Сапожков М. А. Звукофикация откры тых пространств. — М.: Радио и связь, 1985. — 304 с. 8.4. Папернов Л. 3.. Молодая Н Т., Ме- тер Ч. М. Проектирование и расчет звукоуси 334
ления и озвучения закрытых помещений. — М.: Связь, 1970. — 112 с. 8.5. Кибакин В. М. Автономные звуко- вещательные установки. — М.: Радио и связь. 1983. — 144 с. 8.6. Анерт В., Райхардт В. Основы техники звукоусиления: Пер. с ием./Под ред. Б. Г. Белкниа. — М.: Радио н связь, 1984. — 320 с. 9.1. Аполлонова Л. П., Шумова Н. Д. Грамзапись и ее воспроизведение. — М.: Энергия, 1973. — 73 с. 9.2. Бургов В. А. Теория фонограмм.— Л.: Иускусство, 1984. — 302 с. 9.3. Физические основы магнитной звуко- записи/А А. Вроблевский, В. Г. Корольков, Я. А. Мазо н др. —М.: Энергия, 1970. 9.4. ГитлнцМ. В. Магиитиая запись сигна- лов. — М.: Радио и связь, 1981. — 161 с. 9.5. Дегрелл Л. Проигрыватели и грам- пластинки. — М.: Радио и связь, 1982. — 176 с. 9.6. Ефимов А. П. Запись звука и изобра- жения. — М.: Связь, 1966. — 112 с. 9.7. Закс А. С., Клименко Г. К. Измерения в практике звукозаписи — М.: Искусство, 1980. — 384 с. 9.8. Мнлзарайс Я. Я., Мижуев А. Д. Уни фицироваииые электропроигрывающие уст- ройства II класса. — М.: Радио и связь, 1981. — 281 с. 9.9. Справочник по радиовещанию/Под ред. В. А. Выходца. — Киев.: Техника, 1981. — 264 с. 9.10. Щербина В. И. Цифровые магнито- фоны. — М.: Радио и связь, 1986. — 55 с. 9.11. Бургов В. А. Теория фонограмм. — М.: Искусство, 1984 10.1. Покровский Н. Б. Расчет и измере- ние разборчивости речи. — М.: Связьнздат, 1962. — 392 с. 10.2. Сапожков М. А. Защита трактов ра- дио- и проводной связи от помех и шумов. — М.: Связьиздат, 1959. — 254 с. 10.3. Вокодерная телефония. Под ред. А. А. Пирогова. — М.: Связь, 1974. — 536 с. 10.4. Сапожков М. А., Михайлов В. Г. Вокодериая связь. — М.: Радио и связь, 1983. — 248 с. 10.5. Вемян Г. В. Передача речи на сетях электросвязи. — М.: Радио и связь, 1985. — 272 с. 10.6. Richards D. L. Telecommunication by Speech. — London- Butterworths, 1973. — 596 p. 10.7. Горой И. E., Римский-Корсаков А. В. Исследование заметности искажений н помех в радиовещательном тракте. Доклад на VI Все- союзной акустической конференции. — М.: 1968. 10.8. ГОСТ 16600—72. Передача речи по трактам радиотелефонной связи. Требования к разборчивости речи и методы артикуляци- онных испытаний. 10.9. ГОСТ 7153—68. Аппараты телефон- ные общего применения. Методы испытаний. 10.10. ГОСТ 8031—76. Аппараты телефон- ные. Тональный метод Измерения разбор- чивости речи. 11.1. Беранек Л. Акустические измере- ния. — М.: ИИЛ, 1952. — 626 с. 11.2. ГОСТ 12090—66. Частоты для акус- тических измерений. 11.3. ГОСТ 15116—69. Звукоизоляция. Методы электроакустических испытаний. Г 1.4. ГОСТ 20445—75. Методы измерений шумов иа рабочих местах. 11.5. ГОСТ 6496—74. Ларингофоны. Ме- тоды электроакустических испытаний. 12.1. Инструкция. ДВК «Электроинка НМС 01100.1». Базовое программное обеспе- чение ДДК «Электроника НЦ 80.20/1». Язык Бейсик. 12.2. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория н при- менение цифровой обработки сигналов: Пер с англ./Под ред. Ю. Н. Александрова.— М.: Мир. 1978. — 848 с. СОДЕРЖАНИЕ Предисловие . . 3 Список обозначений 4 Введение ........................... 5 РАЗДЕЛ 1 ЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ 1.1. Определения.....................6 1.2. Линейные характеристики звуко- вого поля.............................8 1.3. Энергетические характеристики звукового поля . ... 8 1.4. Уровни ........................,9 1.5. Плоская волна ... П 1.6. Сферическая волна 11 1.7 Цилиндрическая волна 13 1.8. Интерференция волн . 13 19. Отражение звука . 14 1 10. Преломлеипе звука 15 1.11. Дифракция волн . ... 16 1.12. Затухание волн.................16 1.13. Распространение звука в трубах 17 РАЗДЕЛ 2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СЛУХА 2.1. Введение....................... 19 2.2. Восприятие по частоте 19 2.3. Восприятие по амплитуде . 23 2.4. Временные характеристики слуха 32 2.5. Восприятие импульсов 33 2.6. Нелинейные свойства слуха 34 2.7. Бинауральный эффект 34 РАЗДЕЛ 3. ПЕРВИЧНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ И ИХ ИСТОЧНИКИ 3.1. Введение 35 3.2 Динамический диапазон и уровни 36 3.3. Частотный диапазон и спектры 39 335
3 4 Временные характеристики аку- стического сигнала . . 43 3.5, Пространственное распределение интенсивности речи вокруг головы 44 3.6. Первичный речевой сигнал . 45 3.7. Гортань как источник колебаний 47 РАЗДЕЛ 4. ЭЛЕКТРОМЕХАНОАКУСТИ- ЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И СИСТЕМЫ 4.1 Введение ... . 47 4.2. Электромеханические аналоги 48 4.3. Электроакустические аналогии 52 4 4. Электромеханические преобразо- ватели . . . 58 4.5. Методы составления аналоговых схем ..........................60 РАЗДЕЛ 5. МИКРОФОНЫ И ЛАРИНГО- ФОНЫ 5.1 Классификация и основные пара- метры 61 5.2. Устройство и принцип действия микрофонов...........................65 5.3. Направленные свойства микро- фонов . . 72 5.4. Электродинамические микрофоны 76 5.5 Конденсаторные микрофоны 84 5 6. Некоторые другие типы микро- фонов .............................. 94 5.7. Техническая эксплуатация мик- рофонов . . . 99 РАЗДЕЛ 6. ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ и ТЕЛЕФОНЫ 6.1 Определения, классификация, ос- новные параметры . . 109 6.2. Основные характеристики телефо- нов и громкоговорителей . .113 6.3. Требования к громкоговорителям и телефонам 121 6.4. Описание некоторых типов теле- фонов, громкоговорителей и аку- стических систем . . . 129 6.5. Конструкции акустических оформ- лений . .146 6.6. Включение головок громкоговори- телей в акустические системы . .153 6.7. Размещение акустических систем 157 РАЗДЕЛ 7. АКУСТИКА СТУДИИ И ДРУГИХ ПОМЕЩЕНИИ 7.1. Акустические характеристики по- мещений .... . . 159 7.2. Классификация радиовещатель- ных и телевизионных студий . 165 7.3. Оптимальная реверберация в сту- диях и приемных помещениях 167 7 4. Звукопоглощающие материалы и конструкции . . 169 7.5. Звукоизоляция студий . .177 7.6 Электроакустическое оборудова- ние студий и аппаратных 1®2 РАЗДЕЛ 8. ОЗВУЧИВАНИЕ И ЗВУКО- УСИЛЕНИЕ 8.1. Основные показатели систем озвучения ... . 191 8.2 Особенности озв чеиия Оукрытыд пространств ’ .** ."“А 194 336 /\ ; - nwi у. 8.3. Сосредоточенные системы озву- чения ........................... . 195 8.4. Зональные системы озвучения 204 8.5. Особенности озвучения помещений 210 8.6 Сосредоточенные системы озвуче- ния помещений.......................211 8.7. Распределенные системы озву- чения 211 8.8. Звукоусиление ... .215 8.9. Громкоговорящая связь . 218 РАЗДЕЛ 9. ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕ- НИЕ ЗВУКА 9.1. Общие сведения о системах запи- си звука . 220 9.2. Механическая звукозапись . 223 9.3. Фотографическая звукозапись 242 9.4. Магнитная звукозапись . . . 246 9.5. Магнитные головки .... 252 9.6. Магнитные носители записи . 255 9.7. Магнитофоны .... 261 9.8. Лазерная звукозапись иа ком- пакт-диск ..........................268 РАЗДЕЛ 10 ПЕРЕДАЧА АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ 10.1. Определения . 270 10.2. Искажения сигналов 271 10.3. Шумы и помехи в трактах и ка- налах связи и вещания . 274 10.4 Допустимые искажения вещатель- ных сигналов........................274 10.5. Понятность н разборчивость речи 275 10.6 Индексы тракта . . 278 10.7. Расчет разборчивости речи . 280 10.8. Расчет общего уровня звукового поля при передаче речи н выбор аппаратуры звукоусиления . 281 10.9. Примеры расчета индексов трак- та, разборчивости речи и общего уровня передачи ... • 282 10 10. Определение разборчивости речи для трактов радиотелефонной связи ... . 285 10.11. Методы повышения разборчиво- сти речи .... 286 10J2. Вокодерная связь ... 287 РАЗДЕЛ И. АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕ- НИЯ 11.1. Измерительная аппаратура и обо- рудование ... . 288 11.2. Методы измерений основных ха- рактеристик электроакустической аппаратуры и помещений . . 290 11.3. Экспертиза музыкальных передач 299 РАЗДЕЛ 12. ПРОГРАММЫ ДЛЯ МИКРО- КАЛЬКУЛЯТОРОВ И ЭВМ ТИПА ДВК 12 1. Комплекс программ по расчету звукового поля и эха при звуко- фикации ...................... 303 12.2. Программы расчета для вокодер- иых фильтров . . 325 12.3. Программы для расчета разбор- чивости речи и общего уровня пе- редачи речи .... 331 Список литературы .... 333