Text
                    РАДИОВЕЩАНИЕ
И ЭЛЕКТРОАКУСТИКА
Под редакцией профессора М. В. Гитлица
Допущено
Министерством связи СССР
в качестве учебника
для студентов вузов связи,
обучающихся по специальности 23 07
«Радиосвязь, радиовещание и телевидение»
©Москва
«Радио и связь»
1989-

ББК 32.87/32.884 Р15 УДК 621.396.97(075)4-534.86 Авторы: А. В. Выходец, М. В. Гитлиц, Ю. А. Ковалгии, Д. В. Ни конов, В. В. Однолько. Рецензенты: кафедра радиовещания и телевидения ТЭИС; доктор техн, наук Л. М. /Кононович I Редакция литературы по радиотехнике Радиовещание и электроакустика: Учебник для вузов/ Р15 А. В. Выходец, М. В. Гитлиц, Ю. А. Ковалгии и др.; Подред. М. В. Гитлица. — М.: Радио и связь, 1989.—432 с.; ил. ISBN 5-256-00269-4. Рассмотрены основные вопросы построения системы звукового веща- ния: тракты формирования программ первичного и вторичного распределе- ния; акустические основы вещания; звукоусиление и озвучение; способы и устройства обработки звуковых сигналов; измерения н контроль в звуко- вом вещаиии. Особое внимание уделено вопросам построения спутниковых систем вешання, цифровой обработке и передаче сигналов звукового веща- ния, системам стереофонии в диапазонах метровых и средних волн. Для студентов электротехнических институтов связи, обучающихся по специальности «Радиосвязь и радиовещание». _2303030000-161 Р046(01)-89 41 *89 ББК 32.87/32.884 ISBN 5-256-00269-4 © Выходец А. В., Гитлиц М. В., Кова- лгнн Ю. А. и др. 1989
ПРЕДИСЛОВИЕ Курс «Электроакустика и радиовещание» является одним из ос- новных, изучаемых студентами специальности 2307 «Радиосвязь», радиовещание и телевидение». Учебник написан в соответствии с программой курса «Элек- троакустика и радиовещание», утвержденной ГУКУЗ Министер- ства связи СССР в 1984 г. В нем рассматриваются вопросы, свя- занные с получением, обработкой, передачей и воспроизведением непосредственно у слушателя звуковых сигналов. Курс является системным, поскольку весь комплекс радиове- щания, включая студийное оборудование и каналы распределе- ния программ, рассматривается как большая система, нормальное функционирование которой возможно только при согласован- ной работе ее составных частей. В то же время в курсе изуча- ются и специальные устройства, осуществляющие обработку зву- ковых сигналов. Основой, объединяющей системные и аппаратур- ные вопросы, является звуковой сигнал, его параметры и их преобразования в процессе обработки и передачи. В учебнике последовательно изложены вопросы, связанные с характеристиками источников сигналов, устройствами обработки и параметрами сигналов до и после обработки, передачей сигна- лов вещания по каналам связи и распределением сигналов веща- ния по потребителям. Требования к отдельным звеньям оценива- ются, исходя из необходимого качества передачи. В отличие от предыдущих учебников, состоящих из двух час- тей, здесь вопросы электроакустики и радиовещания объединены, что позволило избежать некоторых повторов, согласовать терми- нологию, систему обозначений и, что самое главное, изложить вопросы, связанные с передачей звука, на единой методической основе. По мнению авторов, это должно способствовать лучшему пониманию специфики работы системы звукового вещания. Вклю- чены также вопросы, не нашедшие отражения в ранее изданных учебных пособиях, в частности спутниковое вещание, цифровая обработка звуковых сигналов, построение сетей радиовещания и др. Предисловие, введение, гл. 7, 8, 10 и § 6.6 написал М. В. Гит- лиц, гл. 1—М. В. Гитлиц и А. В. Выходец совместно, гл. 3 — В. В. Однолько, § 2.1 и 2.2 — Ю. А. Ковалгин и В. В. Однолько совместно, § 2.3—2.11, гл. 4, § 11.7—11.11 — Ю. А. Ковалгин, гл. 5, 12 и § 11.1—11.6 — А. В. Выходец, гл. 6, кроме § 6.6, гл. 9 и гл. 13 — А. В. Никонов. 3
ВВЕДЕНИЕ Звуковым вещанием называют процесс циркулярной передачи разнообразной звуковой информации широкому кругу территори- ально рассредоточенных слушателей. Звуковая информация мо- жет доставляться слушателям как по радио, так и по проводам. В соответствии с этим звуковое вещание подразделяется на ра- дио- и проводное вещание. Вещание имеет огромное общественно- политическое значение как могучее средство агитации и пропа- ганды, формирования коммунистического мировоззрения и воспи- тания трудящихся. «Газета без бумаги и расстояний», «митинг с многомиллионной аудиторией» — так называл радиовещание В. И. Ленин. Велика роль вещания как средства организации досуга людей, повышения их культурного и общеобразователь- ного уровня. Советское радиовещание достигло высокого уровня развития как по объему передаваемой информации, так и по охвату насе- ления. Общий объем среднесуточного вещания в СССР превыша- ет 1400 ч, вещание ведется на 137 языках народов СССР и мира. Для организации вещания создана большая вещательная система, надежность и качество функционирования отдельных звеньев ко- торой определяют качественные показатели системы в целом. В процессе вещания звуковая информация компонуется в от- дельные законченные в тематическом отношении блоки, называе- мые передачами. Некоторые передачи, как, например, «Последние известия», «Пионерская зорька» и др., повторяются периодически в определенное время. Другие передаются в соответствии с рас- писанием. Совокупность передач, распределяемая по предназначенным для этого каналам, называется программой. Всесоюзное радио ежедневно транслирует передачи по девяти программам. Передачи могут быть речевыми, музыкальными и смешанны- ми. К смешанным относят литературно-драматические передачи и художественные монтажи, в которых речь сопровождается музы- кальным фоном или отдельными музыкальными вставками. Ха- рактер передачи определяет требования к студиям, где происхо- дит их формирование, а также к каналам связи, соединяющим студии со слушателями. В последнее время в некоторых системах радиовещания, кро- ме звуковой, передается дополнительная информация, в частности 4
сигналы идентификации программ, различные справочные и ре- кламные сведения. Наличие этой информации расширяет функ- циональные возможности радиовещания. История звукового вещания в нашей стране насчитывает око- ло 100 лет. Первые опытные установки для этой цели были созда- ны в России в 80—90-х годах прошлого века. Сохранились доку- ментальные свидетельства того, как 17.03.1888 г. в Москве в квар- тире доктора Богословского 12 человек слушали с помощью теле- фонных трубок оперу «Риголетто», передаваемую по проводам из Большого театра. После Октябрьской революции развитию радиовещания в стране было уделено огромное внимание. В 1918 г. был издан декрет о радио, обеспечивший централизацию радиотехнического дела в стране. В этом же году была построена Нижегородская радиолаборатория, которую возглавил выдающийся ученый М. А. Бонч-Бруевич. За ее работами внимательно следил В. И. Ленин, который очень прозорливо оценил возможности ра- дио в деле централизации пропаганды и просвещения в стране. 19 мая 1922 г. В. И. Ленин писал: «Надо максимально уско- рить работы, начатые Нижегородской радиолабораторией по установке вполне пригодных громкоговорящих аппаратов и мно- гих сотен приемников по всей республике, способных повторять для широких масс речи, доклады и лекции, произносимые в Мос- кве или другом центре» (В. И. Ленин, Собр. соч., Т. 45, с. 194— 196). «Дело гигантски важное, ... Вся Россия будет слышать га- зету, читаемую в Москве», — писал В. И. Ленин в письме к Н. П. Горбунову (В. И. Ленин, Собр. соч., Т. 52, с. 54). Несмотря на разруху, вызванную гражданской войной и ин- тервенцией, для работ в области радио были выделены необхо- димые средства, и уже в 1922 г. состоялись первые радиовеща- тельные передачи. В Москве 17 сентября 1922 г. начала регуляр- ную работу радиостанция им. Коминтерна мощностью 12 кВт, ко- торая была в то время самой мощной в мире. 8 декабря 1922 г. по радио впервые переданы речи В. И. Ленина, записанные на граммофонные пластинки. Несколько раньше началось широкое использование средств проводного вещания. 1 мая 1921 г. в г. Казани через усилитель и рупоры, установленные на площадях, читалась устная газета. 22 июня 1921 г. в день открытия III конгресса Коминтерна в Мос- кве работала сеть проводного вещания с рупорами, установлен- ными на шести площадях. С тех пор техника звукового вещания прошла большой путь развития. В настоящее время проводным вещанием охвачены населенные пункты, в которых проживает более 67% населения, все населе- ние страны охвачено радиовещанием. В стране насчитывается бо- лее 1600 радиовещательных передатчиков, программы формиру- 5
ются в 118 телецентрах и 174 радиодомах. У населения в поль- зовании находится более 87 млн. радиоприемников и радиол (в том числе около 10 млн. стереофонических) и около 90 млн. або- нентских точек проводного вещания. Звук является неотъемлемой составной частью телевизионных программ. К настоящему времени более 90% населения страны охвачено телевизионным вещанием, объем среднесуточного теле- визионного вещания составляет около 500 ч. Техника звукового вещания непрерывно совершенствуется. Начиная с 1962 г. внедряется трехпрограммное проводное веща- ние, разрабатываются способы передачи, увеличивающие коли- чество программ, передаваемых в проводной сети, до восьми. Значительное распространение получило стереофоническое ра- диовещание. В 1985 г. стереофоническое радиовещание на метро- вых волнах осуществлялось в 80 городах, а к 2000 г. все населе- ние страны будет иметь возможность принимать стереофоничес- кие программы. Предполагается внедрение стереофонического звука в телевидение и передача стереофонических программ в гектометровом диапазоне. Одной из основных задач техники звукового вещания в на- стоящее время является повышение качества. Наиболее реальный путь ее решения — использование цифровых методов обработки и передачи сигналов. Уже разработаны и используются цифровые устройства формирования программ и цифровые каналы связи. Проводятся работы по цифровому вещанию непосредственно на индивидуальные приемники. Освоение новых диапазонов волн, автоматизация процессов производства передач, переход к цифровым методам обработки сигналов, увеличение количества и качества передаваемых про- грамм, внедрение стереофонии — таковы основные направления совершенствования техники звукового вещания в настоящее время.
Глава 1. СИСТЕМА ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ 1.1. ОРГАНИЗАЦИЯ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ В СССР Организационная структура системы звукового вещания пред- ставлена на рис. 1.1. Подготовкой, формированием и выпуском программ звукового вещания занимаются Государственный коми- тет Совета Министров СССР по телевидению и радиовещанию (Гостелерадио СССР) и его органы на местах — Гостелерадиоко- митеты союзных республик и республиканские, краевые, област- ные и окружные телерадиокомитеты, отвечающие как за содер- жание программ звукового вещания, так и за их техническое ка- чество. Гостелерадио имеет центры формирования программ (ра- диодома), в которых производится подготовка, формирование и выпуск программ звукового вещания. Готовят программы редакции, специализированные по типу передачи и объединенные в главные редакции ГР информации, пропаганды, литературно-драматического вещания, музыкального вещания для молодежи, детей и юношества и др. Главная редак- ция осуществляет организацию и планирование программ—от со- ставления дневных и недельных программ до их выпуска. Отдел выпуска ОВ организует передачу программ. Наблюдение за тех- ническим качеством передач возложено на отдел контроля ОК- Передачи могут вестись в записи или непосредственно (пря- мые передачи). Прямые передачи составляют 5 ... 10% от общего объема. Это преимущественно актуальные передачи с места собы- тий, трансляции из театров, стадионов, дикторский текст. Приме- нение предварительной записи позволяет автоматизировать про- цесс выпуска программ и повысить качество вещания. В зависимости от назначения различают передачи для населе- ния Советского Союза — внутрисоюзное вещание и передачи для населения других стран — иновещание. Внутрисоюзное вещание составляют передачи центрального вещания, создаваемые Госте- лерадио СССР в Москве, передачи республиканского вещания — по программам, создаваемым Гостелерадиокомитетами союзных республик, передачи краевого, областного, окружного вещания— 7
Рис. 1.1. Структура системы звукового вещания по программам, составляемым соот- ветствующими гостелерадиокомите- тами. Внутрисоюзным вещанием охвачена практически вся террито- рия СССР. Центральное общесоюз- ное вещание в настоящее время ве- дется по девяти программам с об- щим объемом около 180 ч в сутки. Первая программа—это основная общесоюзная, информацион- ная, общественно-политическая, познавательная и художественная. Среднесуточный объем вещания 20 ч. Около 50% этого времени отводится информационным, общественно-политическим пе- редачам, а также вещанию для детей и молодежи. Остальное вре- мя занимают театральные, литературные, музыкальные, спортив- ные и другие передачи. Так как территория СССР включает 11 временных поясов, первая программа имеет четыре дубля, назы- ваемые «Радио-Орбита» (рис. 1.2). Программа «Радио-Орбита-1» предназначена для жителей Камчатской, Магаданской, Сахалин- ской областей, Чукотского национального округа (часовые пояса + 10, +9, +8 по отношению к Москве). Программа «Радио-Ор- бита-2» принимается населением Якутской АССР, Приморского и Хабаровского краев, Амурской и Читинской областей (часовые пояса +7, +6). Программа «Радио-Орбита-3» адресована жите- лям Бурятской и Тувинской АССР, Алтайского и Красноярского краев, Иркутской, Кемеровской, Новосибирской, Томской облас- тей (часовые пояса +5, +4). Программа «Радио-Орбита-4» пред- Рис. 1.2. Территориальное распределение первой программы с учетом часовых поясов 8
назначена для населения Казахской, Киргизской, Таджикской, Туркменской, Узбекской ССР и областей РСФСР в часовых по- ясах -|-3, -|-2. Вторая программа («Маяк») — общесоюзная круглосуточная, информационно-музыкальная — транслируется одновременно для всех районов страны. Каждые полчаса в коротких выпусках но- востей сообщается о событиях внутренней и международной жиз- ни. В остальное время «Маяк» передает произведения русской, советской и зарубежной музыки. Третья программа — литературно-музыкальная и образова- тельно-познавательная —• предназначена в основном для населе- ния Европейской части СССР и Урала. Транслируются радио- спектакли, пропагандируется музыкальная классика, современная симфоническая и оперная музыка. Среднесуточный объем веща- ния по этой программе 17 ч. Четвертая программа — музыкальная — передается на гекто- метровых и метровых волнах. Объем вещания 9 ч, из них 7 ч— стереофоническое на метровых волнах. Пятая программа—общественно-политическая и художествен- ная — ретранслирует основные выпуски «Последних новостей» первой программы, а также информационные и музыкальные пе- редачи «Маяка»; предназначена для советских моряков, советских граждан, находящихся за рубежом, и иностранных слушателей, владеющих русским языком, ведется круглосуточно. Каждая из союзных республик имеет по две-три собствен- ные республиканские программы вещания. Республиканское ве- щание ведется по 10 ... 18 ч в сутки, объем областного вещания 1,5—2 ч. 1.2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ Формирование и доведение программы до слушателей осуще- ствляется с помощью специального комплекса технических средств, образующих электрический канал звукового вещания (ЭКЗВ). По ЭКЗВ сигналы звукового вещания передаются с выхо- да микрофона до антенны передатчика или абонентской розетки тракта проводного вещания. Электрический канал звукового ве- щания состоит из трех различных последовательно соединенных трактов: формирования программ (ТФП), первичного распреде- ления программ (ТПРП) и вторичного распределения программ (ТВРП) (рис. 1.3). Совокупность технических средств ТПРП и ТВРП составляет вещательную сеть. Тракт формирования программ представляет собой часть ЭКЗВ, которая начинается на выходе микрофона и заканчивает- ся на выходе центральной аппаратной радиодома (радиотелецен- тра). Радиодом является головным звеном системы звукового ве- 9
Рис. 1.3. Структурная схема системы звукового вещания щания, и поэтому средства, составляющие ТФП, имеют наиболее высокие параметры качества. Радиодом, расположенный в Москве, называют Государственным домом радиовещания и звукозаписи (ГДРЗ). Типовой ТФП состоит из апаратно-студийных комплексов АСК, вещательной аппаратной ВА, центральной аппаратной ЦА, трансляционной аппаратной ТА и аппаратных звукозаписи АЗ. Входы типового ТФП рассчитаны на подключение источников сигнала, имеющих низкий (—30 ... —70 дБ) либо высокий уро- вень (—12 ... +12 дБ). Низкие уровни сигнала свойственны ми- крофонным трактам, сигналы с высоким уровнем поступают с вы- ходов магнитофона, трансляционных пунктов, междугородных ка- налов звукового вещания. Программы создаются в аппаратно-студийном комплексе ра- диодома, состоящем из нескольких студий С и студийных аппа- ратных. Однако, как правило, в АСК не производится полное формирование программ, а создаются только их фрагменты, ко- торые записываются на магнитную ленту. В каждом радиодоме имеется фонотека, из которой можно взять записи, требуемые для данной программы. Отдельные фрагменты программы можно получить извне от трансляционных пунктов, оборудованных в кон- цертных залах, театрах, на стадионах данного города и по меж- дугородным каналам звукового вещания МКЗВ из других радио- домов. Для приема этих фрагментов программы в радиодоме предусмотрена трансляционная аппаратная. Формируется из от- дельных фрагментов вещательная программа в вещательной (про- граммной) аппаратной. Программы, сформированные в ВА, по- ступают в центральную аппаратную для коммутации потребите- лям. Из служб радиодома сигналы ЦА подаются в аппаратные звукозаписи и отдел технического контроля ОТК. Технический контроль программ производится непрерывно. 10
На выходе ЦА радиодома начинается тракт первичного рас- пределения программ ТПРП. По соединительной линии СЛ сиг- налы из ЦА поступают в коммутационно-распределительную ап- паратную КРА. Московская КРА называется центральной (ЦКРА) и связана с сетью радиовещательных станций РВС, с городским радиотрансляционным узлом ГРТУ и через централь- ную междугородную вещательную аппаратную ЦМВА с между- городным каналом звукового вещания МКЗВ, образуемым в ка- бельных, радиорелейных и спутниковых системах передачи. Сеть МКЗВ организуется на базе магистральной и внутризо- новой первичной сети ЕАСС. Она является основой общегосудар- ственной системы распределения программ вещания, которая обеспечивает подачу центральных и республиканских программ ко всем краевым и областным центрам, распределение централь- ных, республиканских и областных (краевых) программ по тер- риториям областей (краев), обмен программами между центрами формирования программ. Программы центрального вещания поступают на входы КРА всех крупных городов (столицы республик, краевые и областные центры). Местные КРА обеспечивают подачу программ звуково- го вещания на местные РВС и ГРТУ. Радиотрансляционные узлы проводного вещания РТУ районных центров получают программы по проводным каналам звукового вещания или от РВС. Тракт вторичного распределения программ представляет собой часть ЭКЗВ, предназначенную для передачи программ непосред- ственно слушателям. Этот тракт начинается с конца СЛ от мест- ного КРА (ЦА или МКЗВ), по которой сигнал вещательной про- граммы подается на вход передатчика РВС или ГРТУ и закан- чивается входом антенны передатчика или абонентской розеткой сети проводного вещания. Таким образом, доведение программ непосредственно до слушателя осуществляется двумя способами: с помощью радиовещательных станций или системы проводного вещания. Чаще всего оба способа используют одновременно, так как каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Достоинством радиовещания являются многопрограммность и большая дальность действия. Система проводного вещания в го- родах и ряде районных центров обеспечивает передачу трех про- грамм (обычно первую и вторую центральные и одну республи- канскую) при большей по сравнению с радиовещанием надеж- ности в работе, а абонентское устройство проводного вещания дешевле радиоприемника. И
1.3. АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ Как видно из рис. 1.3, современные электрические каналы звукового веща- ния представляют собой сложные технические сооружения, состоящие из многих звеньев. На пути от выхода микрофона до входа громкоговорителя сигналы зву- кового вещания неоднократно усиливаются, преобразуются, коммутируются и по- этому искажаются. Исходный звуковой сигнал является аналоговым. При его передаче по ана- логовым каналам связи на сигнал воздействуют помехи, искажая его. Появление линейных искажений объясняется наличием в электрическом канале передачи реактивных элементов (емкостей и индуктивностей). Аналоговый канал можно охарактеризовать комплексным коэффициентом передачи = |К(«) |Х Хехр [j<p(<o)J. Модуль этого выражения |К(ш) | описывает амплитудно-частот- ную характеристику (АЧХ) канала, а <р (ш)—его фазо-частотную характеристи- ку (ФЧХ). Для неискаженной передачи сигналов необходимо, чтобы в полосе частот передаваемого сигнала выполнялись условия |К(<£>) |=const и <р (со) = f-сот, где k и т — постоянные величины. В этом случае форма и спектры сигналов на входе и выходе канала будут одинаковы. Практически условия постоянства модуля |К(ы)| и линейности фазы <р(о>) выполняются лишь в части рабочего диапазона. Частотные искажения оценива- ются неравномерностью амплитудно-частотной характеристики в рабочем диа- пазоне частот, а их наличие субъективно ощущается как изменение тембра зву- чания. Частотно-фазовыми называют искажения, связанные с отклонением реальной фазовой характеристики <p(w) от идеальной. При идеальной фазовой характери- стике все гармоники сигнала s(t) получают одинаковую временную задержку т, что приводит к сдвигу сигнала во времени без нарушения его формы. При нелинейной зависимости фазового сдвига от частоты искажается форма сигнала. При монофоническом воспроизведении звука вследствие физиологиче- ских особенностей слуха фазовые искажения обычно не сказываются на каче- стве звучания. При стереофонии в отличие от монофонического вещания переда- ются не один, а два сигнала: левого Л и правого П каналов. Если между сиг- налами Л и П возникают фазовые сдвиги или их уровни заметно различаются, то это приводит к нарушению стереофоничности звукопередачи. Из-за нелинейности амплитудных характеристик звеньев вещательного ка- нала возникают нелинейные искажения. При нелинейной амплитудной характе- ристике канала зависимость сигнала на его выходе s2 (1) от сигнала на входе Si(t) в общем виде выражается степенным многочленом «2 (0 =ao+aisi (0 +а2 [si (0 ] 2+ ... -\-ап [st (/)п]. Нелинейность вызывает изменения спектра сигнала, появляются гармоники и комбинационные частоты. Количественно нелинейные искажения оценивают ко- эффициентом гармоник илн разностного тона. Коэффициент гармоник Кг = I/ ^n2/^i, гДе ••• — амплитуды гармоник выходного сигнала. п=2 Оценка нелинейности канала по значению Кг оказывается весьма проста, но при измерении нелинейности в области частот, лежащих выше середины полосы пропускания, не применима, поскольку все гармоники сигнала, кроме первой, в этом случае оказываются вне полосы пропускания. Для преодоления этого недо- статка нелинейность оценивают разностным тоном, возникающим при прохожде- нии через канал двух синусоидальных колебаний с частотами ш, и <02. Коэффи- циенты разностного тона второго (Кртг) и третьего (Кртз) порядков определя- 12
ются следующим образом: Кртз = (4/3) • Здесь U— амплитуды составляющих спектра выходного сигнала с частотами ш/. При малых нелинейностях Кгг^Кртг, Кгз^Артз. Под помехами понимают понимают сторонние возмущения, действующие в канале и препятствующие правильному приему сигналов. В электрическом кана- ле чаще всего возникают аддитивные помехи — помехи, которые суммируются с сигналом и существуют независимо от него. Аддитивные помехи разделяют на флуктуационные, импульсные и периодические. К флуктуационным относят по- мехи, вызванные тепловыми движениями электронов и ионов. Импульсные поме- хи появляются в результате атмосферных электрических разрядов и искрений в контактах электросиловой аппаратуры. К периодическим помехам относят глав- ным образом фон источника питания переменного тока. При электромагнитной связи между элементами или звеньями электрических каналов, по которым передаются разные сигналы, возникают переходные поме- хи. Нелинейности групповых усилителей и преобразователей частоты в системах передачи с частотным разделением каналов также обусловливают появление по- мех этого вида. Наиболее слышны помехи в паузах передач, поэтому их допустимый уровень определяется заметностью именно в паузах передач. Переходные помехи бывают внятными и невнятными. Внятными называют помехи, которые по характеру со- впадают с передаваемой информацией. Например, при передаче сигналов веща- ния внятную помеху могут создавать прослушиваемые телефонные переговоры, другие программы вещания. Невнятные помехи по характеру отличаются от пе- редаваемых сигналов. В силу специфики восприятия помех наиболее сильное мешающее действие оказывают внятные переходные помехи, и поэтому борьбе с ними уделяется наибольшее внимание. Флуктуационные и импульсные помехи имеют широкополосный характер, но слух человека имеет неодинаковую чувствительность к составляющим шума раз- ных частот. Поэтому при звуковом вещании шум оценивают не только инте- гральным значением, но и величиной, учитывающей особенности субъективного восприятия (рис. 1.4). В процессе формирования программ, а также их передачи по трактам пер- вичного и вторичного распределения аналоговые сигналы искажаются. Если в процессе передачи на аналоговый сигнал воздействует несколько источников по- мех, то эти помехи суммируются. Поэтому при передаче аналоговых сигналов происходит накопление помех и искажений, возникающих на разных этапах их передачи и преобразования. Эта особенность ярко проявляется при формирова- Рис. 1.4. Частотная ха- рактеристика взвешиваю- щего фильтра, учитыва- ющего чувствительность слуха к составляющим шума разных частот 13
Рис. 1.5. Диаграммы, поясняющие принцип регенерации от искажений и шумов, объясняемая нии. программ путем монтажа магнит- ных фонограмм и последующей много- кратной перезаписи звуковых сигналов, а также при передаче их в тракте пер- вичного распределения. Отмеченные недостатки использо- вания аналоговых сигналов могут быть преодолены путем преобразования их в цифровую форму. В отличие от аналогового сигнала, который может изменяться в произ- вольный момент времени на сколь угод- но малое значение, цифровой сигнал может изменяться только в заранее за- данные тактовые моменты и только вполне определенным образом. Обычно используют двоичные сигналы, которые отображают наличие или отсутствие импульсов в тактовые моменты (рис. 1.5,а). Из этого вытекает главное пре- имущество цифровой формы представ- ления сигналов—высокая защищенность тем, что на приемной стороне системы важно только обнаружение импульса в заданный момент времени. Искажения же его формы в определенных пределах менее существенно. Если в процессе передачи на цифровой сигнал наложится помеха, то при правильно выбранных параметрах системы передачи помеха может быть обна- ружена и отделена от сигнала. Процесс отделения сигнала от помехи и восста- новление его формы называется регенерацией. Регенерация цифровых сигналов осуществляется с помощью ключевого устройства (регенератора)—порогового устройства, обеспечивающего формирование П-образных импульсов из искажен- ной их последовательности. Искаженный сигнал на входе регенератора (рис. 1.5,б) равен сумме прошед- шего через линию искаженного сигнала и2(0 (рис 1.5,6) и помехи. Если в ре- генераторе выбрать порог срабатывания Епор выше уровня помех, то на его вы- ходе можно получить восстановленный цифровой сигнал, «очищенный» от иска- жений и помех (рис. 1.5,г). Если помехи в линии могут достигать больших зна- чений (превышающих Дпор), то помеха будет восприниматься как ложный им- пульс, и цифровой сигнал будет передан с искажениями. Влияние помех можно устранить, применив специальные помехоустойчивые коды и разместив регенера- торы в линии передачи на более близких расстояниях. Сравнивая аналоговые (АСП) и цифровые (ЦСП) системы передачи можно отметить следующие преимущества последних. Цифровые системы передачи обладают высокой помехоустойчивостью при использовании каналов связи с высоким уровнем помех и искажений. Качествен- ные показатели ЦСП не зависят от расстояния и конфигурации сети связи. К достоинствам ЦСП относятся также совместимость каналов, предназначенных для передачи разной информации, сравнительная простота оборудования ре- трансляционных пунктов, содержащих пороговые регенеративные устройства и не требующих преобразования сигнала (демодуляции, переноса спектра и т. д.). В ЦСП отсутствует накопление помех и искажений, действующих на различных участках канала. Поэтому параметры качества цифровых каналов в отличие от аналоговых не зависят от их протяженности. Параметры сигнала на выходе цифрового канала будут практически теми же, что и на выходе радиодома. Основным недостатком цифровых систем передачи является требование зна- чительно большей полосы пропускания, чем у АСП, что существенно при ис- пользования частотно-ограниченных каналов. 14
1.4. ПРИНЦИПЫ НОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАНАЛОВ И ТРАКТОВ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ Как сказано в § 1.3, комплекс технических средств, с помощью которых формируются и доводятся до слушателей программы звукового вещания, образует электрический канал звукового ве- щания ЭКЗВ. Для того, чтобы качество воспроизведения звука у слушателей было достаточно высоким, параметры ЭКЗВ в це- лом и его трактов в отдельности должны удовлетворять опреде- ленным требованиям, установленным Государственным стандар- том (ГОСТ 11515—86). Нормирование параметров качества каналов и трактов звуко- вого вещания ЗВ основано на определении путем субъективно- статистической экспертизы допустимых искажений сигналов и до- пустимого уровня шумов в этих каналах и трактах. Процедура субъективно-статистической экспертизы состоит в следующем. Слушателям-экспертам предъявляются неискаженные отрывки му- зыкальных произведений разного жанра и те же самые отрывки, но после внесения в сигнал заданных искажений. Эксперты дол- жны ответить на вопрос, заметны ли на слух эти искажения. По- лученные в процессе экспертизы данные обрабатываются, и да- ется оценка заметности искажений по следующим градациям: совершенно незаметно — искажения заметны менее чем в 15% случаев; практически незаметно — искажения заметны менее чем в 30% случаев; неуверенно заметно — искажения заметны в 50% случаев; уверенно заметно — искажения заметны в 75% случаев. Очевидно, что искажения тем заметнее, чем они больше. В зависимости от заметности искажений, а также технико-эко- номических показателей установлены три класса качества звуча- ния: высший класс характеризуется тем, что искажения в нем прак- тически незаметны высококвалифицированным экспертам и со- вершенно незаметны обычным слушателям; первый класс — искажения неуверенно заметны высококвали- фицированным экспертам и практически незаметны обычным слу- шателям; второй класс — искажения уверенно заметны высококвалифи- цированным экспертам и неуверенно заметны обычным слуша- телям. Каждый класс характеризуется определенными допустимыми искажениями. При этом регламентируют следующие параметры качества: полоса передаваемых частот; 15
неравномерность амплитудно-частотной характеристики; коэффициент гармоник; защищенность от взвешенного шума; защищенность от внятной переходной помехи; разность фаз в каналах Л и П при стереофонической пере- даче; защищенность от внятных переходных помех между каналами Л и П; разность уровней между каналами Л и П; отклонение выходного уровня от номинального значения. 1.5. ДИАГРАММА УРОВНЕЙ Под диаграммой уровней понимают график изменения уровня напряжения или мощности сигнала в отдельных точках вещательного тракта. Такую диаграм- му, называемую расчетной, обычно строят на этапе проектирования вещательного тракта. Полученные при этом данные позволяют правильно построить структур- ную схему тракта. В процессе эксплуатации диаграмму уровней тракта периодически сверяют с расчетной и вносят при необходимости соответствующие коррективы, так как расхождение фактической и расчетной диаграмм уровней приводит, как правило, к ухудшению качественных показателей эксплуатируемого тракта. Диаграмму уровней обычно помещают под упрощенной структурной схемой вещательного тракта. Значения уровней в каждой контролируемой точке тракта откладывают на вертикальных линиях. Различают диаграммы уровней по напряжению и по мощности. Очевидно, обе диаграммы будут одинаковыми только в том случае, если входные сопро- тивления в контролируемых точках будут равны 600 Ом. Обычно диаграмму строят по напряжению и, зная соответствующие сопротивления определяют при необходимости уровень мощности в каждой точке. Рассмотрим принцип построения диаграммы уровней на примере длинной со- единительной линии между КРА и РВС (рис. 1.6). Линия состоит из двух уча- стков СЛ1 и СЛ2. Пусть на вход усилителя У| подается сигнал программы зву- кового вещаиия напряжением 1 В. Этому значению напряжения соответствует уровень N = 20 lg(l/0,775) =2,2 дБ. На вход СЛ) должен поступать сигнал уровня ±15 дБ, поэтому коэффи- циент усиления усилителя У] должен составлять 15—2,2=12,8 дБ. Это усиление показано наклонной прямой, начинающейся с точки 2,2 дБ. Затухание в СЛ ча- стотно-зависимо и на низшей частоте (штрихпунктирная линия) равно 7,5 дБ, а на высшей (штриховая линия) — 14 дБ. Рис. 1.6. Диаграмма уровней 16
Назначением корректирующего контура КК является выравнивание АЧХ со- единительной линии, Пусть затухание КК на нижней частоте 7,5 дБ, а на выс- шей — 1 дБ. Тогда номинальные уровни на выходе КК иа нижней и высшей частотах будут одинаковыми и равны 0 дБ. Процессы на СЛ2 будут такими же, как и иа СЛц усилитель У2 поднимает уровень напряжения до 15 дБ, а после КК уровень сигнала становится равным О дБ. Контрольные вопросы 1. Почему к качественным показателям тракта формирования программ предъявляются более высокие требования, чем к соответствующим показателям систем распределения? 2. Почему оценка нелинейности канала по коэффициенту гармоник не всегда достаточна? 3. В чем разница между помехами внятными и невнятными с точки зрения их влияния на восприятие звуковых сигналов? 4. В чем основное преимущество цифровых методов передачи перед анало- говыми? 5. Какова цель создания норм на качество каналов вещания? Глава 2. СИГНАЛЫ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ И ИХ ВОСПРИЯТИЕ 2.1. ЗВУКОВОЕ ПОЛЕ В НЕОГРАНИЧЕННОМ ПРОСТРАНСТВЕ Под звуковым полем понимают пространство упругой среды, обычно воздушной, в которой распространяются звуковые волны (колебания). Природа звуковых волн такова, что при деформа- ции среды в каком-либо элементарном участке в соседних с ним участках возникают последовательные во времени сжатия и раз- ряжения среды. Этот процесс распространяется далее с опреде- ленной скоростью так, что в пространстве возникает звуковая волна. В воздушной среде направление распространения волны совпадает с направлением излучения звука; такие волны назы- вают продольными. То же явление наблюдается и в жидкостях. В твердотельных упругих средах, кроме продольных волн, обра- зуются и поперечные. Скорость распространения звуковых волн в атмосфере при нор- мальных температуре и давлении близка к значению сзв=340 м/с, принятому в вещании за расчетную. Однако в зависимости от изменения указанных параметров она может несколько изменять- ся. В средах с большой плотностью (жидких, твердых) скорость распространения соответственно повышается. В неограниченном пространстве звук распространяется в виде бегущей волны. Дли- на звуковой волны А связана с частотой колебаний F и их перио- 2—6697 17
дом Т соотношением Сзв/F = СзвТ, где Т измерено в секундах, a F — в герцах. Диапазон частот акустических колебаний F, слышимых чело- веком, простирается примерно от 16 ... 25 Гц до 18 ... 20 кГц в зависимости от индивидуальных особенностей слушателя. С ниж- ней границей звукового диапазона граничит диапазон инфразву- ковых частот, воздействие которых на человека считают вредным, так как они могут вызывать неприятные ощущения с серьезными последствиями. В природе инфразвуковые колебания могут воз- никать при волнениях в море, колебаниях земной среды и пр. Выше звукового диапазона располагается диапазон ультра- звуковых механических колебаний. Ультразвук для человека не- слышим, но широко используется в радиоэлектронике для созда- ния устройств, служащих для обработки радиотехнических сиг- налов. например фильтров, линий задержки, преобразователей формы сигналов (в миниатюрном исполнении с использованием принципа поверхностных акустических волн — ПАВ), для лечеб- ных целей в медицине, для совершенствования технологических процессов в промышленности. Механические колебания в упругих средах с диапазоном частот F—109 ... 1013 Гц — гиперзвуковые частоты — используют в технике физического эксперимента и др. При распространении звуковой волны в каждом из участков звукового поля наблюдаются периодические колебания частиц среды: сжатия и разряжения (рис. 2.1). Такие локальные коле- бания характеризуются знакопеременным (колебательным) сме- щением частиц, отклонением их от первоначального статического положения. Скорость колебательного движения частиц среды при распространении в ней звуковой волны называется колебательной скоростью v. Не следует путать это понятие со скоростью распро- странения сзв звуковой волны. Колебательная скорость возрас- тает при повышении частоты и амплитуды акустического сигна- ла, однако она практически на несколько порядков меньше ско- рости распространения звуковой волны. Если в заданной точке звукового поля в некоторый момент частицы среды смещаются в на- правлении распространения звуко- вой волны, то направление вектора колебательной скорости считают положительным, в противоположном случае — отрицательным. Пооче- редное сжатие и разряжение в дан- ном участке поля вызывает соот- ветственно изменение давления от- носительно его статического значе- ния. В данном случае в качестве Л6 .• ' Рис. 2.1. Зависимость звукового давления от времени в произволь- ной точке поля 18
Рис. 2.2. Поле плоской (а) н сферической (б) звуковых волн последнего выступает атмосферное звуковое давление. Разность между мгновенными значениями давления при сжатиях и разря- жениях среды в данной точке относительно статического атмос- ферного давления называется звуковым давлением рзв- Таким образом, звуковое давление считают положительным в фазе сжа- тия и отрицательным в фазе разряжения (рис. 2.1). Звуковое давление является скалярной знакопеременной величиной, изме- ряется в паскалях; это функция текущего времени и координат точки измерения (1 Па=1 Н/м2). Звуковые давления, характер- ные для радиовещания, гораздо меньше атмосферного (статиче- ского). Диапазон их изменения 10~5 ... 20 Па. Другим важным параметром звукового поля является интен- сивность 1ЗВ (или сила) звука. Под этим параметром понимают поток звуковой энергии, переносимый средой в направлении рас- пространения через единицу поверхности, ему перпендикулярной, за единицу времени. Противодействие, оказываемое указанной площадкой среды распространению этой энергии, называется акустическим сопротивлением Za = p3B/v. (2.2) Распределение колебательной энергии в звуковом поле суще- ственно зависит от формы фронта звуковой волны — поверхности с одинаковой фазой звуковых колебаний. Наибольший практиче- ский интерес представляют плоская и сферическая волны. Поле плоской волны можно представить как пространство пе- ред колеблющимся плоским излучателем звука 1 (рис. 2.2,а), в ко- тором от этого источника в направлении положительных значе- ний х распространяется бегущая волна сжатия и разрежения эле- ментарных объемов среды. Тут фронт волны повторяет плоскую форму излучателя, поток звуковой энергии направлен параллель- но оси X, он не рассеивается в стороны и не отклоняется от оси. 2* 19
Если пренебречь потерями энергии в среде (что справедливо для не очень больших расстояний от источника излучения), то можно считать, что параметры поля независимо от значения х остаются неизменными. Классическим примером поля плоской волны считают колеба- ния жесткого несгибающегося поршня в длинной трубе с неотра- жающими звук стенами, если диаметр поршня намного меньше длин волн излучаемых колебаний. Звуковое давление, создаваемое колебанием частиц среды, и их колебательная скорость для поля плоской волны связаны сле- дующим образом: Рзв — ГЩо^зв, (2-3) где рзв — звуковое давление; р0 — статическая плотность среды; v — колебательная скорость. Если изменение звукового давления соответствует гармониче- скому закону Рзв[х, ^)=Рзвпгехр [j ((£>/—(HX/cSB)] (2-4) и <±>/сзв=/г, где k — волновое число, то можно записать, что о = °m- exp [j (wt — kx)], (2.5) Росзв где Рзвт — амплитуда звукового давления; х — расстояние от по- верхности поршня (1 на рис. 2.2,а) до точки наблюдения. В поле плоской звуковой волны значения р3вт. и vm не зависят от рас- стояния X, причем Vm = Рзвт/ (роСзв). При технических расчетах для воздушной среды принимают ро=1,23 кг/м3 и сзв=340 м/с, поэтому р0с.зв= 1,23 • 340= = 418 кг/(м2-с). Колебательную скорость v частиц среды часто уподобляют колебательному процессу электрических частиц — переменному току, а звуковое давление — переменному электрическому напря- жению, что будет далее обосновано подробнее. При этом интен- сивность плоской волны по аналогии с электрической мощностью можно выразить как р2 Лв = —— = v2 ?ocSB = рзв v. (2.6) РоСЗВ Поле сферической волны формируется при излучении звука точечным источником в неограниченном пространстве. Звуковые волны от такого источника (рис. 2.2,6) распространяются равно- мерно по всей сфере в трехмерном пространстве X, У, Z в на- правлении ее радиусов г. Фронт волны, естественно, получается также сферическим. 20
Количественный анализ и физическая интерпретация характе- ристик поля сферической волны показывают, что в нем звуковое давление и интенсивность звука не остаются постоянными вдоль направления распространения волны. Звуковое давление рзв= =р'зв№, где р'зв — звуковое давление при радиусе единичной дли- ны. Аналогично интенсивность 1зъ=^'зъ!г- Важной особенностью сферического поля, как и вообще полей с расходящимися и сходящимися направлениями распространения звуковых волн, является то, что в них акустическое сопротивление приобретает реактивную составляющую в отличие от поля плос- кой волны, где акустическое сопротивление является чисто актив- ным. Для звуковых полей важно, что благодаря малости звуковых давлений все процессы, сопутствующие распространению звуковых волн, являются линейными. Это позволяет пользоваться при их анализе принципами суперпозиции и взаимности обмена энергии между источниками излучений и их приемниками. Универсальной энергетической характеристикой звукового поля является плотность звуковой энергии Е—1зъ/сзв, (2.7) которая содержится в единице объема звукового поля. 2.2. СЛУХ И ВОСПРИЯТИЕ ЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ 2.2.1. СЛУХОВОЙ АППАРАТ Особенности строения и свойства слуха человека имеют для радиовещания чрезвычайно большое значение. Они определяют технические требования к системе вещания, ее отдельным трак- там и устройствам. Согласование технических средств передачи с субъективными характеристиками восприятия помогает достиг- нуть нужной информационной достоверности передаваемых сиг- налов, получить в процессе вещания семантическое и эмоциональ- ное соответствие между первичными и воспринимаемыми звуко- выми образами вещательных программ. На основе свойств слуха судят о качестве передачи и воспроизведения программ звукового вещания, строят систему метрики аппаратуры. В настоящее время достаточно хорошо изучены области на- ружного, среднего и внутреннего уха, доводящие звуковые коле- бания воздушной среды до чувствительных окончаний слуховых волокон нервной системы. В значительно меньшей степени иссле- дованы процессы в самой нервной системе. Известно, что здесь акустический сигнал преобразуется в электрический и в резуль- тате сложного взаимодействия в сфере высшей нервной деятель- ности создается звуковой образ, адекватный реальному. 21
9 35 мм Рис. 2.3. Строение периферического отдела органа слуха Ушная раковина 1 в области наружного уха (рис. 2.3,а) на- правляет принимаемые акустические колебания в слуховой про- ход 2, заканчивающийся барабанной перепонкой 3. В слуховом проходе как в звуковом резонаторе, настроенном на частоты, близкие к 3 кГц, происходит примерно трехкратное усиление зву- кового давления, воздействующего далее на барабанную перепон- ку 3. Она образует границу с областью среднего уха и соединена здесь с костно-мышечным рычажным механизмом в виде молоточ- ка 4 и наковаленки 5. Мышечная ткань ножки наковаленки опи- рается на входной элемент внутреннего уха — мембрану овально- го окна 6 внутреннего уха 7. Рычажная система молоточек-нако- ! валенка выполняет роль трансформатора колебаний барабанной перепонки, повышая звуковое давление на мембране овального окна для наибольшей отдачи энергии из воздушной среды сред- него уха, сообщающейся с внешней средой через носоглотку 8, в область внутреннего уха 7, заполненную несжимаемой жидко- стью — лимфой. Структура внутреннего уха (на рис. 2.3,6) показана в развер- : нутом виде) очень сложна, и рассматривается здесь схематиче- ски. Его полость 7 представляет собой сужающуюся к вершине трубку, свернутую в 2,5 витка в виде улитки, к которой примы- кают каналы вестибулярного аппарата в виде трех колец 9. Весь этот лабиринт ограничен костной перегородкой 10. Заметим, что | во входной части трубки, кроме овальной мембраны, имеется мембрана круглого окна 11, выполняющая вспомогательную функцию согласования среднего и внутреннего уха. По всей дли- 22
не улитки располагается основная мембрана 12—анализатор акустического сигнала. Она представляет собой узкую ленту из гибких связок (рис. 2.3,6), расширяющуюся к вершине улитки. При рассмотрении полости внутреннего уха в поперечном сече- нии рис. 2.3,е) кроме основной мембраны 12, можно видеть так- же костную (рейснерову) мембрану 13, отгораживающую жидкую среду вестибулярного аппарата от слухового; вдоль основной мем- браны проходят слои окончаний нервных волокон 14 так назы- ваемого органа Корти, соединяющихся в жгут 15. Действие внутреннего уха принято трактовать так. При коле- баниях мембраны овального окна в жидкости внутреннего уха возникают упругие колебания, перемещающиеся вдоль основной мембраны от основания улитки к ее вершине. Структура основ- ной мембраны аналогична системе резонаторов с резонансными частотами, локализованными по длине. Участки мембраны, рас- положенные у основания улитки, резонируют на высокочастотные составляющие звуковых колебаний, заставляя их колебаться, средние реагируют на среднечастотные, а участки, расположенные вблизи вершины, — на низкие частоты. Высокочастотные компо- ненты в лимфе быстро затухают и на удаленные от начала уча- стки мембраны не воздействуют. Резонансные явления, локализуемые на поверхности мембра- ны в виде рельефа, как это схематически показано на рис. 2.3,г, возбуждают нервные «волосковые» клетки, расположенные на основной мембране в несколько слоев, образующих орган Корти. Каждая из таких клеток имеет до ста «волосковых» окончаний. С наружной стороны мембраны располагается три-пять слоев та- ких клеток, а под ними находится внутренний ряд, так что общее число «волосковых» клеток, взаимодействующих между собой по- слойно при деформациях мембраны составляет около 25 тыс. Ре- зультатом этого сложного процесса является преобразование входного сигнала в электрическую форму, и после этого с помо- щью слуховых нервов выполняется его передача к слуховым об- ластям мозга, где и формируется окончательная реакция на зву- ковое воздействие. 2 2 2. ВОСПРИЯТИЕ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Тон и тембр. Пространственная локализация звуковых колеба- ний различной частоты на разных участках основной мембраны внутреннего уха (см. рис. 2.3,а) предполагает независимость воз- буждения одной ее точки от другой и возможность одновременно- го возбуждения акустическими сигналами различных частот. Гар- моническое звуковое колебание некоторой частоты в восприятии характеризуется понятием тон. Разрешающая способность разли- чения слухом соседних частот относительно друг друга в преде- лах слышимого диапазона частот (от 16 ... 20 Гц до 20 кГц) не- 23
одинакова. В области низких частот, ниже 500 Гц, она едва пре- вышает 1%, в области высоких частот — около 0,5% и лишь на средних частотах составляет 0,2 ... 0,3%. В музыкальной акустике принято делить частотный диапазон на октавы и доли октавы. Этими же понятиями пользуются и в радиовещании. Понятие октава соответствует изменению частоты F в два раза; весь диапазон звуковых частот охватывается 10 ок- тавами. Музыкальная шкала октавы подразделяется на 12 по- лутонов, что соответствует приращению частоты Д/7 = 1^/2 = = 1,054 или тонам звуков двух смежных клавиш рояля. Выбирая частотные интервалы для измерения спектров сигналов, часто пользуются промежуточными значениями интервалов частот — третьоктавных ДЕ = j/2 и полуоктавных ДГ=рг2. Если звуковое колебание сложнее гармонического, но также периодическое, то его следует рассматривать как сумму гармони- ческих колебаний, представляемых рядом Фурье: 00 s(0= S^cos(W —(2.8) А=1 где bk — амплитуда; ш — частота; k — номер спектральных со- ставляющих звучания; <рл — их фаза. В этом случае звучание ха- рактеризуется основным, наиболее низкочастотным, колебанием, соотношение же между основным тоном и обертонами — высшими гармониками—определяет при восприятии тембр звучания, его то- нальную окраску. Исследования показывают, что тембральное различие голосов определяется формой спектрального распреде- ления энергии звука, обычно обладающего несколькими макси- мумами и минимумами в области средних и высоких частот в пре- делах значительной части звукового диапазона. Максимальные значения такого распределения называют формантами, мини- мальные— антиформантами. По тембру можно отличить один музыкальный инструмент от другого, узнать голос певца, харак- тер шума. Порог слышимости и уровень громкости. Человек ощущает звук в чрезвычайно широком диапазоне звуковых давлений (или интенсивностей). Одной из опорных величин этого диапазона яв- ляется стандартный порог слышимости. Под ним условились по- нимать эффективное значение звукового давления, создаваемое гармоническим звуковым колебанием Е=1000 Гц, едва слыши- мым человеком со средней чувствительностью слуха. Порогу слы- шимости соответствует интенсивность звука /зво=1О-12 Вт/м2 или звуковое давление рзв0=2-10-5 Па. Верхний предел определяется значениями Z3B= 1 Вт/м2 и рзв = 20 Па, при которых при восприя- тии звука наступает болевое ощущение (стандартный порог боле- вого ощущения). 24
(2.9) Величина слухового ощущения Л и амплитуда звукового дав- ления (или интенсивности звука) связаны зависимостью 4 А- £ г ЛРзв п dI4B Л РзвО ^зво которая получила название основного психофизического закона. Здесь с' и с" — постоянные, определяемые условиями эксперимен- та, a z—некоторый коэффициент, причем O^z^l. При достаточно малых значениях звукового давления (интенсивности звука) про- является степенной закон Стивенса Л = ^в. (2.Ю) где <71 — некоторая постоянная; п — показатель степени, значение которого зависит от условий проведения эксперимента. В области звуковых давлений, существенно превышающих стандартный по- рог слышимости, выражение (2.9) приводит к закону психофизи- ки, сформулированному Фехнером: Л=92 log (Рзв/Рзво) , (2.11) где <?2 — также некоторая постоянная. Из (2.11) следует, что величина ощущения Л, пропорциональ- на не амплитуде внешнего раздражителя, а логарифму отноше- ния рзв/Рзво- Поэтому звуковое давление и интенсивность звука часто оценивают в логарифмических единицах по отношению к стандартному порогу слышимости: Na = 20 1g (Рзв/Рзво) = 10 1g (/зв//зво) (2.12) и найденное значение Na называют абсолютным акустическим уровнем (см. приложение). Порог слышимости зависит от частоты (рис. 2.4, штриховая линия). Параметром так называемого семейства кривых равной громкости является уровень громкости Nrp, измеряемый в фонах. При его оценке используют метод сравнения испытуемого зву- чания с эталоном, в качестве которого выбран тон частотой 1000 Гц. Уровень громкости в фонах совпадает с числом децибел, оценивающим уровень эталонного звука Nrp=201g (рзвэт/Рзво), (2.13) при условии, что оба звучания (испытуемое и эталонное) при их попеременном предъявлении слушателю оцениваются как равно- громкие. Уровень громкости NrPF на частоте F и уровень звукового дав- ления NaF=ioooru на частоте Г=1000 Гц связаны соотношением NrpF = k NaF = 1000ru , (2.14) 25
Рис 2.4. Кривые равной громкости — изофоны (а) и влияние уровня звукового давления (б) и частоты (в) измери- тельного тона на мини- мально ощущаемое из- менение девиации ча- стоты где k — поправочный коэффициент, зависящий от частоты F и уровня Na оцениваемого тона. Значение Nrp=120 фон соответст- вует порогу болевого ощущения. Для профессионального прослу- шивания предпочтителен уровень громкости 85 ... 95 фон. С по- нижением его сужается воспринимаемый слушателем диапазон частот тем значительнее, чем ниже громкость. Это явление осо- бенно заметно в области низких частот звукового диапазона, где чувствительность слуха к восприятию спектральных составляю- щих существенно ухудшается с понижением Na (рис. 2.4,а). Представление об уровнях громкости реальных источников да- ют данные табл. 2.1. Диапазон изменения звуковых давлений (см. рис. 2.4) на час- тотах 1 ... 3 кГц от абсолютного порога слышимости до болевого порога составляет около 130 дБ. На нижних частотах это значе- ние существенно меньше, например для частоты 100 Гц оно со- ставляет около 90 дБ. Изменение ощущения (например, уровня громкости) возникает лишь тогда, когда изменение соответству- 26
Таблица 2.1 Источник звука Уровень громкости» фон Шум в студии звукового вещания Библиотека, театральный зал Разговорная речь на расстоянии 1 м Выступление оратора на том же расстоя- нии Звучание симфонического оркестра, ти- хо—очень громко Звук, соответствующий болевому порогу Не более 20.. .25 25...40 50...60 70...80 80...ПО 120...130 ющего ему раздражителя (уровня звукового давления или интен- сивности звука) превысит определенное пороговое значение Арзв или А/Зв. При этом порог различения интенсивности зависит от уровня громкости. Вблизи абсолютного порога слышимости порог различения интенсивности А/Зв составляет 2 ... 3 дБ, в области средних уровней громкости он существенно меньше: 0,4 дБ. Сред- нее значение порога различения интенсивности около 0,8 ... 1 дБ. Принцип квантования ощущений является одним из важных свойств слуха. Порог различимости по частоте. Измерение этого порога обыч- но сводится к оценке минимально воспринимаемой девиации АГмпн частоты тона F при его модуляции тоном. При этом порогу различимости по частоте соответствует минимальное значение 2А/7МПН, замечаемое слухом. Значение этого порога зависит от ча- стоты модуляции, частоты F и уровня Na сигнала испытательного тона. Заметим, что чувствительность слуха к изменениям F ма- ксимальна при частоте модуляции 4 Гц; для этого случая мини- мально ощущаемая девиация частоты при уровне звукового дав- ления 70 дБ лежит в пределах 1,5 ... 50 Гц в зависимости от вы- бранного значения частоты испытательного тона. Влияние уровня Na в децибелах и частоты F в герцах измери- тельного тона на значение АГМпН показано на рис. 2.4,6 и в. Ча- стота модуляции тона 4 Гц. Заметим, что порог АГМИц (рис. 2.4,6) зависит от уровня звукового давления тона лишь тогда, когда по- следний не слишком сильно отличается от абсолютного порога слышимости. В области частот ниже 500 Гц (рис. 2.4,в) порог девиации AFMnH=l,8 Гц, а на частотах Г>500 Гц он возрастает пропорционально частоте и равен АГМин^0,035Г, где F — частота измерительного тона. На частотах ниже 500 Гц \FK1/m почти не зависит от частоты модулирующего тона. Если в качестве испытательного сигнала используется шум, то порог АГмин при его модуляции тоном повышается и составляет не менее 15 ... 20 Гц при частоте модуляции 4 Гц. 27
Рис. 2.5. Зависимости по- рога слышимости тона при его маскировке шу- мом с разными значения- ми средней частоты (а) и уровня (б) Явление маскировки и частотные группы слуха. Порог слыши- мости существенно зависит от условий прослушивания: в тишине или же на фоне шума (или другого мешающего звука). В послед- нем случае порог слышимости повышается. Это говорит о том, что помеха маскирует полезный сигнал. Количественно это повы- шение порога слышимости полезного сигнала в присутствии меша- ющего выражают уровнем маскировки Д/Ум=Ыа.ш—.Va, где Na.m и Na — уровни порога слышимости в присутствии шума (или другой помехи) и в тишине. При существенном превышении уровня ме- шающего звука над полезным последний может оказаться не- слышным. Явление маскировки проявляется по-разному в зависимости от соотношения уровней и спектральных особенностей полезного сиг- нала и помехи. Эти особенности можно объяснить, представив слуховой анализатор в виде системы параллельно действующих резонансных контуров, частотные характеристики которых, имею- щие несимметричную форму (рис. 2.5,а), перекрываются. Здесь изображены зависимости порога слышимости тона при маскиров- 28
ке узкополосными шумами со средними частотами Fcp, равными 0,25; 1; 1,1 и 4 кГц. Во всех случаях уровень шума Nam=60 дБ. При малом изменении средней частоты шума наблюдается сме- щение исходной зависимости параллельно самой себе (штрихо- вая кривая на рис. 2.5,а). Существенное смещение Гср сопровож- дается значительным изменением формы этих зависимостей. При этом в области низких частот звукового диапазона явление мас- кировки носит локальный характер. На частотах выше 3000 ... ... 5000 Гц зависимости маскировки спадают медленно, особенно на высших частотах. Полосы пропускания для резонаторов слуха, отображаемые этими зависимостями, на уровне —3 дБ от своего максимального значения составляют на частотах 250, 1000 и 4000 Гц около 35, 50 и 200 Гц соответственно и носят название критических полосок слуха. Влияние уровня узкополосного шума на маскировку тона по- казано на рис. 2.5,6. Ширина полосы маскирующего шума со- ставляет 160 Гц, а его уровень Na.m соответственно равен 100, 80, 60, 40 и 20 дБ. Все пять зависимостей имеют четкий максимум на средней частоте полосы шума fcp=1000 Гц, равной частоте тона. В точке максимума уровень тона ниже уровня маскирующего шума на 4 дБ. Все изображенные на рис. 2.5 зависимости имеют крутой спад к нижним частотам и пологий в сторону, обращенную к высшим частотам. Цифрой 1 на рис. 2.5 обозначена зависимость изменения абсолютного порога слышимости тона в тишине, т. е. при отсутствии маскирующего сигнала. Иная картина наблюдается при маскировке тона широкополос- ным сигналом (рис. 2.6). Здесь по оси ординат отложен уровень Na, дБ, измерительного тона, по оси абсцисс — частота F, Гц. Параметром представленных зависимостей является уровень мас- кирующего сигнала. В качестве последнего выбран звук скрипки. Он состоит из основного тона и множества обертонов, интенсив- ность которых убывает с частотой. При тихой игре интенсивность обертонов больше, при громкой меньше. При низком (около 195 Гц, рис. 2.6,а) и высоком (более 1,0 кГц, рис. 2.6,6) значении Рис. 2.6. Зависимости порога слышимости тона при его маскировке низким (а) и высоким (б) звуками скрипки различного уровня 29
основного тона скрипки зависимость порога слышимости измери- тельного тона почти горизонтальна в широкой полосе частот, что особенно заметно при большом уровне громкости маскирующего звука. В обоих случаях кривые маскировки расположены значи- тельно выше кривой, соответствующей абсолютному порогу слы- шимости тона (/, рис. 2.6). Из анализа этих данных следует, что высокие тона малого уровня маскируются низкими громкими то- нами, а низкие тона малого уровня высокими громкими тонами не маскируются. По этой причине в смешанных хорах мужских голосов всегда меньше, чем женских, а в симфоническом оркестре виолончелей намного меньше, чем скрипок. Правда, при этом учи- тывается и то, что акустическая мощность источников звука выс- ших частот всегда значительно меньше, чем мощность источников низших частот. Важным свойством слуха является также его способность объ- единять определенные области частот в так называемые частот- ные группы. Поясним смысл этого понятия. Если полезный сиг- нал сосредоточен в относительно узкой полосе частот, а спектр маскирующего шума охватывает эту полосу и постепенно расши- ряется в обе стороны, то при достижении определенного значе- ния ЛГчг порог слышимости полезного сигнала перестанет изме- няться. Величина ДГчг определяет ширину частотной группы и за- висит от средней частоты FCp полезного сигнала (рис. 2.7,а). На частотах ниже 500 Гц ширина частотных групп не зависит от средней частоты маскирующего шума и составляет около 100 Гц. В области частот выше 500 Гц ширина частотных групп возрас- тает пропорционально ГСр, при этом ДГчг^О^Гср. Слух может об- разовывать частотные группы на любом участке диапазона слы- шимых частот. Если их совместить в один ряд, то в полосе частот от 20 Гц до 16 кГц разместятся 24 частотные группы. Заметим, что если в какой-либо частотной группе мощность полезного сиг- нала достигнет определенного значения от приходящейся на эту полосу мощности маскирующего шума, то полезный сигнал будет услышан. Разность уровней тона Na.T на пороге слышимости и шума Nam при ширине полосы в одну частотную группу ANK.M= =Na.T—Na ш называют коэффициентом маскировки частотной группы. Величина ANK.M является функцией ширины частотной группы и частоты испытательного сигнала (рис. 2.7,6), но не за- висит от уровня последнего. При этом всегда Л^а.т<Л^а.ш. Эта осо- бенность слуха отчетливо проявляется в совпадении форм зависи- мостей, изображенных на рис. 2.7,а и 2.4,е. При больших уровнях громкости проявляются нелинейные свойства слуха. Например, при прослушивании тона частотой 1000 Гц с уровнем Na.T=100 дБ человек слышит вторую гармони- ку с уровнем 88 дБ, третью — с уровнем 74 дБ и т. д. Появление этих гармоник отчетливо замечается по биениям, которые прослу- шиваются, когда частота дополнительного скользящего тона ока- 30
зывается вблизи этих частот. При прослушивании двух тонов, по- падающих в разные частотные группы, человек часто слышит тон суммарной и разностной частот с большим уровнем громкости и другие комбинационные частоты с меньшими уровнями. Вследствие этих нелинейных явлений весьма сложными ока- зываются зависимости порога слышимости тона при его маски- ровке чистым тоном (рис. 2.7,в). Частота маскирующего тона со- ставляет 1 кГц, а его уровень 80 дБ (изображен кружочком на рис. 2.7,в). На частотах ниже 500 Гц уровень измерительного тона равен абсолютному порогу слышимости (зависимость /). На ча- стотах 500 ... 10 000 Гц измерительный тон маскируется тоном частотой 1000 Гц, поэтому его уровень превышает абсолютный порог слышимости. Это превышение максимально на частотах от 1 до 2 кГц и составляет около 50 дБ (зависимость 2). При этом, если увеличить уровень измерительного тона, то слышимым ста- новится не сам маскирующий тон, а разностный с меньшей час- тотой. При дальнейшем увеличении измерительный тон снова ста- новится слышимым наряду с разностным маскирующим. Кроме того, если частота измерительного тона близка основной, удвоен- 31
ной или утроенной частоте маскирующего тона, то слышны бие- ния в широком диапазоне изменения уровней. Эти области выде- лены на рис. 2.7,в штриховкой. Столь сложная картина восприя- тия двух тонов отражает нелинейные свойства слуха, которые можно объяснить, по-видимому, нелинейностью характеристик среднего уха и вихревыми явлениями в улитке. Восприятие звуковых сигналов во времени и в пространстве. Слуховой аппарат обладает определенной инерционностью. Ощу- щение возникновения звука, а также его прекращения возникает не сразу. Время, в течение которого ощущение уровня громкости уменьшается на 8 ... 10 фон, называется постоянной времени слу- ха. Она зависит от параметров сигнала и в среднем составляет 150 ... 200 мс. Время адаптации слуха при оценке высоты тона зависит от частоты: на низких частотах оно составляет около 30 мс, на высоких частотах несколько меньше. Известно, что при возбуждении слуха несколькими короткими звуковыми импуль- сами длительностью не свыше 50 мс и такими же интервалами между ними происходит их интегрирование при восприятии. При этом проявляется и временная маскировка, выражающаяся в по- давлении последующего импульса предыдущим. Происходит и на- копление в памяти коррелированных по структуре звучаний. Ма- лые временные сдвиги различных частотных компонент сложного звучания, сравнимые с периодом такого сигнала, приводят к фа- зовым искажениям, малозаметным при монофоническом звуковос- произведении. При больших фазовых сдвигах искажения стано- вятся ощутимыми на слух, поскольку они обусловлены относи- тельным временным запаздыванием частотных компонент. Тогда их считают недопустимыми, особенно при стереофоническом веща- нии. Восприятие направлений — локализация источников звука в пространстве — возможно благодаря так называемому бинаураль- ному эффекту. При этом явление локализации объясняется дей- ствием только двух факторов: бинауральными временной (Ате) и интенсивностной (ANe) разностями сигналов, воздействующих на левое и правое ухо слушателя. Каждому угловому положению реального источника звука соответствуют вполне определенные значения AN б и Ате. На низких частотах (ниже 500 Гц) направле- ние на источник звука определяется, главным образом, бинаураль- ной временной разностью. На средних (500 ... 5000 Гц) и высо- ких (выше 5000 ... 6000 Гц) частотах эффект азимутальной лока- лизации определяется обоими факторами ANe и Ате. Локализация источников звуков с частотами ниже 150 Гц практически невоз- можна. Точность оценки азимута источника звука в горизонтальной плоскости 3 ... 4°, в вертикальной плоскости эта особенность вы- ражена значительно слабее и не превышает, как правило, 10 ... ... 15°. 32
В отличие от азимутальной, глубинная локализация возможна и при моноуральном слушании, но бинауральное восприятие су- щественно повышает точность и облегчает слуховую оценку рас- стояния. Орган слуха, имея два разнесенных приемника звука, способен, подсознательно вычисляя значения Ате и /Зв.ср/А/Зв, оп- ределять расстояние до звучащего объекта Г=2СзвАТб/зв.ср/А7зв, где /зв.ср — среднее значение интенсивности сигналов, воздейству- ющих на левое и правое ухо слушателя; А/Зв — бинауральная разность интенсивностей; сзв — скорость звука. Теоретический ана- лиз выражения (2.15) показывает, что при г>10 м необходимо предъявлять очень жесткие требования к разрешающей способ- ности временных интервалов и приращениям интенсивности, зна- чительно превышающим возможности человека. Однако при г по- рядка единиц метров необходимая разрешающая способность на- ходится в пределах, доступных человеческому уху. При этом по- грешность определения расстояния путем выполнения этих вычис- лений может составлять около 50%. Этот способ, по-видимому, играет существенную роль при определении расстояния до звуча- щего объекта, находящегося в условиях открытого пространства. В закрытых помещениях, где наряду с прямым звуком на слу- шателя воздействует значительное число отраженных, наиболее важным фактором, обусловливающим глубинную локализацию, становится совокупность звуков, отраженных от поверхностей по- мещения. 2.3. ВЕЩАТЕЛЬНЫЙ СИГНАЛ КАК СЛУЧАЙНЫЙ ПРОЦЕСС Сигналом звукового вещания (СЗВ) называется колебание, соответствующее речи, музыке или их сочетанию. Звуковое коле- бание, воздействующее на микрофон или излучаемое громкогово- рителем, называется акустическим сигналом. Он характеризуется звуковым давлением, интенсивностью (или силой) звука, звуко- вой мощностью. Звуковое колебание, передаваемое по цепям си- стемы звукового вещания, представляет собой электрический сиг- нал, характеризуемый напряжением, током, электрической мощ- ностью. Сигнал звукового вещания является случайным процессом, ха- рактеризующие его акустические или электрические величины не- прерывно изменяются во времени. Графически он может быть изображен совокупностью реализаций (отрезков) случайных функций. Если каждая из них представляет собой изменяющееся во времени t звуковое давление рзв или напряжение и за опреде- ленный интервал наблюдения Гии, то такие зависимости p3B(t) 3—6697 33
1ч1 u(t) t о весовая функция 6) Весовая функция л fry -t) о взвешенный сигнал г) Рис 2 8 Временные диаграммы сиг- нала звукового вещания t в или u(t) принято называть кри- выми изменения мгновенных зна- чений СЗВ во времени (рис. 2.8,а). Уровень СЗВ характеризует сигнал в определенный текущий момент времени и представляет собой выраженное в децибелах выпрямленное и усредненное за некоторый предшествующий про- межуток времени напряжение вещательного сигнала а(^) (где черта сверху означает операцию усреднения во времени, — мо- мент времени) отнесенное к не- которой условной величине UOf т. е. ____ N9(/1)=201g(MT)/t70). (2.16) Здесь N3(fi)—уровень электри- ческого вещательного сигнала в момент времени Аналогично можно определить уровень N3(l2) в момент времени i2 и т. д. Теоретически наиболее прос- то усреднять мгновенное значе- ние выпрямленного напряжения с постоянным весовым коэффи- циентом (рис. 2.8,6). Математи- чески эту операцию можно записать следующим образом, напри- мер, для текущего момента времени I «(О I dt. (2.17) tt~ т Выражение (2.17) дает среднее за время Т значение модуля функции «(f), причем всем выпрямленным значениям функции u(t) приписывается один и тот же относительный вес, равный dtfT в интервале t\—Т ... ^ (Т — интервал усреднения) и нулю вне этого интервала (рис. 2.8,5, штриховая прямая). Точно так же можно определить среднее значение выпрямленного напряже- ния в момент времени /2 и т. д. Так как вещательный сигнал яв- ляется нестационарным случайным процессом, то полученные с помощью (2.17) для разных моментов времени t\, t2, .... tn зна- чения «(Л), u{t2), ..., u(tn) окажутся разными, и мы получим зависимость изменения во времени среднего значения выпрям- ленного напряжения (рис. 2.8,в). Форма этой зависимости u(t) 34
определяется как особенностями самого СЗВ, так и выбранным интервалом усреднения Т. При Г->0 временные зависимости сред- них значений выпрямленного сигнала практически не отличаются от временных зависимостей его мгновенных значений. При уве- личении Т средние значения выпрямленного сигнала будут тем меньше меняться во времени, чем больше интервал усреднения Т. Если существует минимальный интервал усреднения Т=То, при достижении которого среднее значение выпрямленного сигнала не зависит от текущего момента времени t, т. е. если при Т^Т0 вы- полняется равенство wtfi) = «(У = ••• = « (tn), . (2.18) то такой сигнал называется стационарным, а значение То — его интервалом стационарности. По своей структуре сигнал звукового вещания является неста- ционарным случайным процессом. В тех редких случаях, когда условие (2.18) все же выполняется, предел однородности получа- ется очень большим: около 2 ... 3 мин, причем значение То для речевых сигналов меньше, чем для музыкальных. Орган слуха человека не может усреднять воспринимаемый сигнал за столь длительное время. Слуховое ощущение в каждый момент текуще- го времени (например, Л) определяется не только мгновенным значением сигнала в этот момент, но и более ранними его значе- ниями. Последние оказываются тем меньше, чем больше они уда- лены в прошлое от текущего момента времени. Поэтому при опре- делении уровня СЗВ усреднение его выпрямленных мгновенных значений следует выполнять с переменным множителем веса, убывающим в направлении прошедшего времени. Подходящим приближением является весовая функция вида Ж — 0 = -уехр при (2.19) где Х(Л—/)=0 при Т — время, характеризующее длитель- ность «памяти» системы. При таком способе усреднения для момента времени t\ сред- нее значение выпрямленного сигнала и (М = J — О I 11 (0 i Л- (2.20) —00 Взвешивание выпрямленных мгновенных значений реального вещательного сигнала посредством весовой функции (2.19) для момента времени ti показано на рис. 2.8,г. Изменяющееся во времени выпрямленное напряжение, усред- ненное за определенный промежуток времени с заданным множи- телем веса Л (Л—t) и выраженное в децибелах, называется дина- 3* 35
Рис. 2.9. Уровнеграммы одного и того же отрезка сигнала звукового вещания, полученные при разной длительности «памяти» измерительного устройства мическим уровнем, вещательного сигнала N3(0, т- е. N3(t) =20 lgM?)M), (2.21) где t — текущее время. Можно сказать иначе: изменяющиеся во времени уровни СЗВ называются динамическими. Записи динамических уровней, полу- чаемые с помощью самописца, называются уровнеграммами (рис. 2.9) в отличие от временных зависимостей мгновенных зна- чений, когда тем или иным способом фиксируется изменение во времени звукового давления или напряжения. Значение уровня зависит не только от мгновенных значений вещательного сигнала, но и весьма существенно от временной за- висимости (2.19) множителя веса и длительности «памяти» Т из- мерительного устройства. Поэтому, говоря об уровнях, следует непременно учитывать временные параметры приборов, которыми они измерены. При всем многообразии сигналов звукового вещания некото- рые их статистические свойства, имеющие практический интерес, оказываются в достаточной мере устойчивыми и объективно ха- рактеризующими особенности СЗВ разных жанров (речь, класси- ческая музыка, эстрадная музыка, хоровое пение и т. д.). Знание статистических свойств СЗВ необходимо для: четкого понимания процессов, протекающих как в отдельных устройствах, так и в целом во всей системе звукового вещания; правильной трактовки свойств и параметров вещательной аппаратуры; созда- ния испытательных сигналов, наилучшим образом имитирующих реальные СЗВ; разработки оптимальных систем и устройств, в максимальной степени учитывающих как свойства СЗВ, так и особенности слухового восприятия последних. Статистические свойства СЗВ характеризуются прежде всего законами распределения: мгновенных значений и уровней звуко- вых давлений (напряжений) во времени; длительностей пауз; длительностей непрерывного существования разных уровней; зву- ковых давлений (напряжений) по частоте. 36 ।
2.4. ЗАКОНЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МГНОВЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ И УРОВНЕЙ СИГНАЛОВ ЗВУКОВОГО ВЕШАНИЯ Напомним, что наиболее распространенной характеристикой любой случайной величины X, полностью описывающей ее с ве- роятностной точки зрения, является функция распределения р(х). иод которой понимается вероятность события Х<х, где х—неко- торое текущее значение случайной величины. Функция р(х)^ =р(Х<х) называется одномерной функцией распределения слу- чайной величины. Производная IF(x) от этой функции р(х) на- зывается одномерной плотностью вероятности распределения случайной величины х. Она характеризует вероятность того, что случайная величина окажется расположенной в пределах от х до х-(-Ах. Зависимости р(х) и 1Г(х) определяют закон распределе- ния случайной величины х. Применительно к СЗВ случайными величинами являются мгновенные значения напряжения и или значения звукового давления рзв, а также уровни Na или N3. Законы распределения р(х) и 1Г(х) являются устойчивыми (т. е. получаемые результаты отличаются только погрешностью эксперимента), если длительность реализации (выборки) превы- шает интервал стационарности То. Сигнал звукового вещания в строгом понимании нестационарен. Однако с достаточной для практических целей точностью речевой сигнал можно рассматри- вать как квазистационарный случайный процесс при интервале наблюдения (длительности анализа) 7ДН, превышающем 2... ...3 мин. Для музыкальных СЗВ интервал стационарности То установить не удается. Поэтому для получения более или менее устойчивых законов распределения для СЗВ разных жанров не- обходимо существенно увеличить время анализа Гин (до несколь- ких часов). При более короткой длительности выборки Т1Ы результаты анализа очень сильно отличаются и характеризуют не свойства сигнала звукового вещания, а только исследуемые от- дельные отрывки. Кроме того, объектом исследования обычно яв- ляются обработанные звукорежиссером, а в отдельных случаях и автоматическим регулятором фонограммы. Методы ручной регули- ровки сигналов различными звукорежиссерами не идентичны, а изменения, вносимые в сигнал автоматическими регуляторами, существенно зависят от их технических характеристик. Наконец, распределение уровней во времени существенно зависит и от зна- чения Т (2.19). Все это приводит к тому, что законы распределения р(х) или 1Г(х), полученные для музыкальных сигналов даже при большом времени анализа, значительно зависят от исследуемого отрывка программы. Для иллюстрации изложенных соображений на рис. 2.10 при- ведены типичные экспериментальные результаты, полученные для ЗТ
Рис 210 Распределение плотности вероятности мгновенных значений речевого (а) и музыкального (б) сигналов звукового вещания во времени речевого (рис. 2.10,а) и музыкальных (рис. 2.1 ОД) СЗВ. Здесь по оси ординат отложено произведение плотности вероятности W(х) и среднеквадратического отклонения о (т. е. IF(x)Xo); по оси абсцисс — отношение его мгновенных значений х (например, на- пряжения и) к о. Последняя характеризует рассеяние значений случайной величины х около ее математического ожидания Речевой сигнал имеет устойчивое распределение плотности вероятности мгновенных значений (и или рзв), симметричное по форме, одновершинное, подчиняющееся экспоненциальному за- кону. Результаты экспериментального исследования распределений во времени мгновенных значений музыкальных сигналов показы- вают, что разным типам звучаний (вокал, эстрадная музыка, сим- фоническая музыка и т. д.) соответствуют сходные по форме за- висимости (рис. 2.10,6, область 1). Все они за редким исключе- нием (кривая 2) имеют также экспоненциальный характер. Достаточно общей аппроксимацией описанных зависимостей (рис. 2.10) является выражение вида ® ехрД-ПпД (2.22) У 2 1 \ / К 2’2 \ ®2 / где х — мгновенное значение сигнала (например, напряжения); сп, о2— среднеквадратические отклонения; А и В — параметры 38
Таблица 2.2 Вид программы А в <Т1 52 Речь информационного ха- 0,57 0.43 1,3 0,26 рактера Вокальная музыка (арии из 0,75 0,25 1,44 0,24 опер романсы) Камерная музыка, фортепья- 1 0 1,05 — ИО Симфоническая музыка 0,65 0,35 1,2 0,23 распределения, причем А-|—В=1. Параметры А, В, щ и о2 изме- няются в зависимости от характера исполняемого произведения (табл. 2.2) Для программ типа хора с оркестром, эстрадных композиций, джазовой музыки (см. рис. 2.10,6, кривая 2) наблюдается прибли- жение к гауссовскому закону распределения. В этих случаях = (2-И) \/ 2ла \ ‘ Сопоставляя (2.22) и (2.23) и результаты экспериментальных исследований разных авторов, можно представить обобщенный закон распределения во времени мгновенных значений музыкаль- ных сигналов в виде 1<’<2- (2-24> Здесь q—параметр, определяющий степень экспоненты (<?=! для камерной и симфонической музыки; q=2 для легкой, эстрад- ной и джазовой музыки); £ = Г (3/<?) : Г (1/<?) ]1/2— коэффициент; Г — гамма-функция. Распределение уровней во времени реальных вещательных сиг- налов (как речевых, так и музыкальных) зависит не только от ти- па программы и длительности времени анализа, но и весьма су- щественно от выбранной весовой функции (2.19) усредняющего устройства. При относительно малой длительности памяти Т эти зависимости близки к уже рассмотренным. Увеличение Т должно вызывать приближение закона распределения уровня к гауссов- скому. И, наконец, при Т->-оо понятие о законе распределения во- обще теряет смыст, ибо вместо совокупности случайных величин будет получено одно значение. В качестве примера на рис. 2.11 приведена функция распреде- ления уровней во времени, полученная экспериментальным путем 39
-50 -50 -40 -30 -20 N,^?5 Рис. 2.11. Функция распределе- ния уровней во времени тики приближением можно при исследовании записанных на магнитной ленте музыкальных и речевых отрывков СЗВ. Взвеши- вание мгновенных значений вы- прямленного напряжения произво- дилось посредством весовой функ- ции (2.19) при Г«25 мс. Сущест- венное отличие этой зависимости от гауссовской наблюдается лишь в области малых уровней, отличаю- щихся от номинального значения (N = 0 дБ) более чем на 35 дБ. Поэтому с достаточным для прак- считать, что распределение уровней во времени подчиняется гауссовскому закону р (N) = —L— I exp ( (‘V ~ dN |/2па J 2а2 J —00 (2.25) с параметрами а=—24 дБ, о=10 дБ. 2.5. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫБРОСОВ И ПАУЗ СИГНАЛОВ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ ВО ВРЕМЕНИ Из (2.25) можно получить представление об общем времени т, в течение которого достигается или превышается то или иное зна- чение уровня анализа NaH (рис. 2.12). Однако рассмотренные за- висимости не позволяют ответить на вопрос, из какого числа от- резков это время складывается: большого или малого кратковре- менных, но больших по длительности. Этот вопрос имеет большое практическое значение, например, при выборе режима работы ламп оконечного каскада усилителей проводного вещания боль- шой мощности, при ручном и автоматическом регулировании уров- ней и т. д. Экспериментальные данные, оценивающие с вероятностной точ- длительность непрерывного существования разных уровней для речевого и музы- кального сигналов, показаны на рис. 2.13. Длительность выборки для речевого сигнала больше ки зрения Рис. 2.12. Диаграмма, позволяющая оценить длительность непрерывного су- ществования уровней, превышающих Na„ 40
Рис. 2.13. Плотность вероятности распределения выбросов речевого (а) и музы- кального (б) сигналов звукового вещания по длительности их непрерывного су- ществования прн Na„/NKB.„aKc = 0,98 (1)', Пан/Пкв. макс=0,8 (2)*, Nan/NuB. макс=0,02 (3) 3 мин. Обобщенные сведения, относящиеся к музыкальному СЗВ, получены в результате усреднения данных для четырех жанров СЗВ. Выбранные отрывки обработаны звукорежиссером, длитель- ность каждого из них не менее 2 мин. По оси ординат отложены плотности вероятности 1Г(т) длительности непрерывного сущест- вования (превышения) уровней, превышающих заданное значение Л^ан (уровень анализа) в долях квазимаксимального значения А/’квмакс, по оси абсцисс — длительность выброса т, мс. За макси- мальный уровень анализа NaH принят наибольший уровень, полу- ченный прибором с временем интеграции /„=10 мс и временем возврата /в=1,3 с (см. гл. 6); 7=^22 мс. Диапазон изменения длительностей непрерывного существова- ния уровней (выбросов) очень широк. Например, максимальная длительность выбросов, зафиксированная при уровне анализа, равном 5% от максимального значения, составляет для речевого сигнала примерно 1 с, для музыкального — до 4 с. Минимальное значение т не превышает единиц миллисекунд, наибольшее значе- ние плотности вероятности W(т) независимо от NaH и жанра прог- раммы наблюдается для выбросов длительностью 12... 17 мс. Хорошей аппроксимацией среднестатистических зависимостей W(т) при 0<т^100 мс является гамма-распределение вида Г (г)= n-jexp (2.26) 41
Таблица 2.3 Параметр Относительный уровень анализа 0,2 0,4 0,6 0,8 V 0,0242 0,0226 0,0208 0,0195 ц 0,66 0,68 0,71 0,73 Таблица 2.4 />(т) при т, мс, ие меньшем 'VKB.MaKc 10 20 50 f0 0,2 0,6 0,38 0,315 0,294 0,8 0,5 0,264 0,19 0,134 где т — длительность выброса, с; v—параметр, определяемый от- ношением Ыан/Ыкв.макс, Ыкв.макс — квазимаксимальный уровень СЗВ (вероятность его превышения составляет 0,02); ц— параметр, за- висящий от NaH и определяемый из условия + Сс J П7(т)б/-с^ 1. “00 Значения параметров v и ц для разных значений NaH/N кв.макс приведены в табл. 2.3. Используя (2.26), нетрудно оценить вероятность р(т) превы- шения длительностью выброса некоторого заданного значения т. По определению при 0<т^100 мс PW = 1 — J ех? (~~ИТ’ о (2.27) Результаты расчетов для ряда значений т (табл. 2.4) получе- ны для двух областей анализа, где уровни близки к минимально- му и максимальному значениям. Из табл. 2.4 следует, что вероятность существования уровней, близких к Nkb.mbkc, при т>20...50 мс достаточно мала, тогда как длительности т^Ю мс более вероятны. Поэтому общее время су- ществования квазимаксимальных уровней (или близких к ним) в основном складывается из кратковременных промежутков време- ни. Длительные выбросы в этом случае маловероятны. Если понимать под паузами длительности выбросов, лежащих ниже определенного фиксированного уровня анализа*, превышаю- щего на некоторое значение уровень помех Nn, то вероятность по- * Обычно он соответствует квазиминимальному уровню, вероятность превы- шения которого составляет 0,98. 42
явления паузы для г-го порога Pi (л) = О при Nf>Nail и любом/п пли при Nj<NaH и 1 при N;<NaH и %>Трс, (2.28) где Nr — текущий уровень исследуемого сигнала; NaH — уровень анализа, при котором определяются начало и конец паузы; Трс — разрешающая способность анализатора; tn— возможные значения длительности пауз. При определении закона распределения пауз по длительности для разнородных вещательных сигналов (музыка, речь) уровень анализа выбирается ниже номинального на 40 дБ. (Заметим, что номинальным называется максимально допустимый уровень, при котором нелинейные искажения, вносимые устройством, передаю- щим данный сигнал, не превышают допустимого значения.) Экспе- риментом установлено, что энергия вещательного сигнала на уров- не ниже номинального на 42 ... 45 дБ практически равна нулю. Длительность пауз вещательных сигналов имеет случайный характер, колеблется в очень широких пределах и может доходить до 3 с и более. Однако вероятность появления пауз длительностью свыше 2 с мала. Плотность вероятности распределения пауз по длительности оказывается наибольшей в интервале 50... 150 мс и быстро убывает вне этого интервала. Для речевых программ в среднем приходится 913 пауз в час, для музыкальных — 200. Дли- тельность пауз составляет 5% от времени передачи, а с учетом перерывов между передачами доходит до 8,6% (первая общесоюз- ная программа), 5,1% (программа «Маяк») и до 14% (третья общесоюзная программа). Хорошей аппроксимацией закона распределения длительностей пауз активной речи (художественное чтение; речь, произносимая без подготовленного текста) является выражение U7(Q =JL ^дь=2о\э-1ехр[— f -n~ Z° /1, (2.29) а \ а ) [ \ а / J где а>0 — параметр масштаба; р>0 — параметр формы; % ха- рактеризует центр распределения (%^7П); % — длительность пау- зы. По данным эксперимента % = 0,2 с, (3 = 0,7, а а=0,5 для груп- пы студентов и а = 0,25 для группы общественных деятелей и пи- сателей. Средние длительности пауз для этих групп составляют соответственно 0,4 с и 0,71 с. Среднее время длительности пауз для активной речи сущест- венно выше, чем для пассивной (чтение заранее подготовленного текста информационного характера), и составляет (от общего времени передачи) 55% для группы студентов и 47,5% для груп- пы общественных деятелей. 43
2.6. ТЕКУЩАЯ, СРЕДНЕМИНУТНАЯ И ДОЛГОВРЕМЕННАЯ МОЩНОСТИ СИГНАЛОВ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ Если iz(g) представляет собой изменение во времени мгновен- ных значений наппяжения СЗВ, то его текущая мощность t P(t) = A J еХр^_ (2.30) —00 где -у-ехр — весовая функция, приписываюцая более ран- ним значениям сигнала тем меньший относительный вес, чем даль- ше они удалены в прошлое, равная 0 при Т — длительность «памяти»; t — текущее время. Очевидно, что если P(t)—случайная функция, то можно го- ворить о плотности вероятности W(P) распределения текущей мощности во времени. Хорошей аппроксимацией закона распределения значений те- кущей мощности во времени являются выражения: для речевых сигналов W (Р) =0,39ехр (—Р/Р)— 0,25ехр (—5.7Р/Р); (2.31а) для музыкальных сигналов W(P) — 0,24ехр (—Р/Р)—0,17ехр (—4Р/Р). (2.316) Эти зависимости соответствуют экспериментальным данным, усредненным по множеству реализаций (выборок) отдельно для речевых (пять отрывков) и музыкальных (свыше 30 отрывков раз- ных типов программ) отрывков СЗВ. Величина Р представляет собой среднее значение текущей мощности и найдена как матема- тическое ожидание случайной величины Р (множество значений Р(/)). Для большинства жанров СЗВ наиболее вероятные значе- ния текущей мощности лежат на 3 дБ ниже долговременной сред- ней мощности Р (исключение составляет звучание эстрадной му- зыки и хора с оркестром, где отклонения текущей мощности от Р в ту или другую сторону равновероятны и приблизительно одина- ковы). Поэтому при предварительной установке регуляторов уров- ня следует ориентироваться на значение Р. Уровень среднеминутной мощности определяется отношением Nep„,„H- Ю 1g (Рер.минЯ = Ю1ё(П2ср.мин<п), (2.32) где USin — эффективное значение синусоидального напряжения (обычно частотой 1000 Гц), равное квазимаксимальному значению Йкв.макс (вероятность его превышения в течение всего времени 44
Рис. 2.14. Распределение уровней среднеминутной мощности сигнала звукового вещания для первой (1) и второй (2) программ общесоюзного звукового вещания (1 и 2 — экспери- ментальные данные, 3 — теоретиче- ская зависимость) анализа составляет 0,02); £Лр.мин — среднее значение на- пряжения за время анализа {интервал наблюдения Тин), равное 1 мин. Значения Ыср.мин, получен- ные для большого числа раз- ных по содержанию отрывков СЗВ одноминутной длитель- ности, образуют совокупность случайных чисел. Величины Ncp.mhh называют также отно- сительной среднеминутной мощностью СЗВ. Для нее можно построить закон рас- N пределения среднеминутной мощности, сгруппировав отобранные отрывки СЗВ по жанрам (дикторская речь, хоровое пение и т. д.). Однако подобное рас- пределение еще недостаточно, чтобы судить о вещательной пере- даче в целом. Заметим, что суточные общесоюзные программы зукового вещания по содержанию повторяются с большой сте- пенью регулярности*. Поэтому усреднение (по множеству), ха- рактеризующее передачу за сутки, выполненное с учетом встре- чаемости программ разного жанра, может считаться идентичным (по результатам) усреднению за длительное время. На рис. 2.14 представлено распределение уровней среднеминутной мощности для первой и второй программ общесоюзного вещания, рассчи- танное с учетом встречаемости в этих программах передач раз- личного характера. По оси абсцисс отложен уровень среднеминут- ной мощности, вычисленный по отношению к мощности синусои- дального сигнала, напряжение которого выбрано равным наи- большему значению квазимаксимального напряжения, по оси ор- динат— вероятность превышения этих уровней. Функции распределения уровней среднеминутной мощности Р (Ncp.мин) для сигналов первой и второй общесоюзных программ звукового вещания аппроксимируются с достаточной для прак- * Например, по первой общесоюзной программе передается 60 ... 65 % речевых передач, по второй — до 35 ... 40 % джазовой и симфонической музы- ки и т. д. 45
тики точностью законом Рэлея Р (^ср.чин) = 1 ехР ( Ncp.M11H/2a2), (2.33) где а — параметр закона распределения. Штриховая зависимость на рис. 2.14 вычислена с помощью выражения (2.33) и соответст- вует второй общесоюзной программе. Уровнем долговременной средней мощности называется выра- женное в децибелах отношение мощности СЗВ, полученной в ре- зультате усреднения всех ее значений (например, NCPmhh) за все время передачи данной программы в течение суток, к квазимакси- мальному значению. 2.7. СПЕКТРАЛЬНАЯ ПЛОТНОСТЬ МОЩНОСТИ Если отрывок СЗВ пропустить через набор полосовых филь- тров, охватывающих весь диапазон слышимых частот, то можно измерить для него плотности вероятности текущей мощности IF, (Р,) как в выделенных узких полосах ДР,, так и в широкой (полной) ДР полосе IF(P). Имея совокупность таких экспериментальных зависимостей IF^Pi), W2(P2}, ...,Wn(Pn) и IF(P), можно определить значения текущей мощности Р{, Р2, .., Р„, Р, вероятность превышения ко- торых составляет наперед заданное значение. Если последнее при- нять равным 0,02, то полученная совокупность значений N,= 10 lg(P,/P) (2.34) будет представлять собой распределение максимальных уровней текущей мощности для совокупности выделенных полос. Если же значение вероятности принять равным 0,5, то получим распределе- ние средних значений уровней текущей мощности исследуемого отрывка СЗВ. Если найденные значения N, отнести к ширине выделенной по- лосы частот ДР,, а далее, как и ранее, взять отношение N/=101g(-^- (2.35) то определим уровень спектральной плотности максимальной (средней) мощности или распределение соответствующих уровней (максимальных, средних), по частоте для исследуемого отрывка СЗВ. На рис. 2.15,а и б для речевых и музыкальных сигналов пред- ставлены зависимости, усредненные для множества отрывков СЗВ длительностью от 1 до 3...5 мин, максимальных и средних уровней спектральных плотностей мощности. Для многих звучаний уровень спектральной плотности средней мощности (рис. 2.15), кроме речи, может иметь значения, близкие 46
N/макс-^дЙ^ ^5 \ mQKC Лг I / О 610г 2 5710*2 5710* ГуГа б) Рис 2 15 Зависимости максимальных и средних уровней спектральной плотности мощности от частоты для речевых (а) и музыкальных (б) сигналов звукового вещания к максимальным вплоть до самых нижних частот, в то время как для всех типов СЗВ он существенно понижается на частотах, пре- вышающих 500 .. 1000 Гц и тем значительнее, чем выше частота. На рис. 2.16 показаны среднестатистические суточные графики спектральной плот- ности мощности первой (/) и второй (2) общесоюзных про- грамм звукового вещания. За- висимости на рис. 2.16, полу- ченные с учетом распределе- ния программ разных жанров Рис 2 16 Среднестатистические су- точные спектры первой (/) и второй (2) общесоюзных программ звуково- го вещания 47
по длительности, характеризуют (вследствие регулярности суточных программ) сведения о СЗВ в целом. Уровень спектральной плот- ности мощности уменьшается на низких (ниже 70 Гц) и верхних (выше 3000 Гц) частотах, причем 0 дБ соответствует значению максимальной спектральной плотности мощности, достигаемой в сигналах каждой из этих программ. Как и следовало ожидать, форма полученных зависимостей (рис. 2.16) в основном определя- ется спектральной плотностью средней мощности сигнала того жанра звучания, который в суточной программе занимает наиболь- шее время и имеет наибольшую мощность. Например, для первой программы определяющей передачей является речь, для второй — оркестровая музыка и речь. До сих пор речь шла о спектрах, представляющих собой усред- ненные данные для множества отрывков СЗВ одного (/ на рис. 2.15) или разных жанров звучания (2 на рис. 2.15, рис. 2.16). Однако каждый отрезок СЗВ, даже столь большой длительности и соответствующий одному и тому же виду звучания, обладает своим индивидуальным спектром максимальных и средних значе- ний мощности, своим распределением спектральной плотности мощности. Кроме того, применение необычных способов инстру- ментовки произведений, характерное для современной музыки, а также электронных методов преобразования спектров сигналов и синтезаторов привело к расширению спектров (для отдельных фрагментов программ) вплоть до самых высших частот (рис. 2.17). Вообще говоря, психоакустические эксперименты показывают, что для высококачественной передачи музыки канал звукового веща- ния должен иметь полосу частот 30... 15 000 Гц. При этом отсут- 48
ствие более высоких частот все же отчетливо замечается молоды- ми слушателями, музыкантами и, по их мнению, ухудшает качест- во восприятия. Поэтому в студийной аппаратуре полоса переда- ваемых частот составляет 20 ...20 000 Гц. 2.8. ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН И СРЕДНЯЯ МОЩНОСТЬ СИГНАЛОВ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ Общее определение динамического диапазона СЗВ сформули- ровано ОИРТ (Международной организацией по радиовещанию- и телевидению) как отношение максимального давления (рзв.макс) к минимальному (р3в.мин), характеризующее данный звуковой про- цесс, ИЛИ отношение соответствующих напряжений (17макс и t/мин). Однако это определение не содержит сведений о том, что подразу- мевается под максимальным и минимальным давлениями или на- пряжениями. При теоретическом определении динамического диапазона вво- дят понятия квазимаксимального и квазиминимального напряже- ний (или давлений). Квазимаксимальным (t/кв.макс или р3в.кв.макС) будем называть такое значение, вероятность превышения которо- го достаточно мала 0,01 ...0,02, а квазиминимальным (t/кв.мин или Рзв.кв.мин)—такое, вероятность превышения которого, наоборот, достаточно велика 0,98... 0,99. С учетом введенных определений динамический диапазон аку- стического вещательного сигнала £) 201g P3S-KS макс __ 201g ^зв KS-MaKC _ 201g Рзв.кв.мин 26^ Рзв кв.мин Рзво Рзво Динамический диапазон электрического вещательного сигнала D3 201g £кв.м.кс _ 201g -^«в.макс. _ 201g (2.37) //кв МИК //о д о Здесь рзво = 2-1О-5 Па — минимальное значение звукового давле- ния, соответствующее порогу слышимости в области максималь- ной чувствительности уха 1 ...4 кГц; £7о=О,775 В — напряжение на нагрузке сопротивлением 600 Ом, на которой выделяется мощность 1 мВт. Динамический диапазон сигнала, определяемый выражениями (2.36) и (2.37), будем называть теоретическим. Наряду с этим ди- намический диапазон СЗВ Dc можно найти экспериментально с помощью уровнеграммы как разность максимального NMaKc и ми- нимального NMHH уровней для достаточно большого по длительно- сти интервала наблюдения: Т/с^Ымакс—NMHH. (2.38) 4—6697 49
Очевидно, что это значение динамического диапазона сущест- венно зависит от выбранного времени интеграции измерителя уровней. Чем больше /и, тем в меньшей степени будут регистриро- ваться кратковременные выбросы СЗВ, тем меньшим окажется найденное значение Dc. Заметим, что теоретическое значение ди- намического диапазона сигнала, рассчитанное с помощью распре- деления во времени мгновенных значений напряжения и или зву- кового давления рзв и выражений (2.36) и (2.37), всегда больше экспериментального значения (2.38) для одного и того же иссле- дуемого отрывка. Динамические диапазоны отдельных типов акустических музы- кальных и речевых сигналов, измеренные с помощью приборов, показания которых соответствуют слуховому восприятию уровня громкости (при этом ^и = 60 мс), составляют в среднем: 60 дБ для симфонического оркестра; 35 дБ для эстрадной музыки; 20 дБ для джаз-оркестра; 47 дБ для хора; 35 дБ для солистов-вокалистов; 25 дБ для речи диктора. При воспроизведении речи максимальный акустический уровень 80... 86 дБ, а при воспроизведении музы- кальных сигналов доходит до 90... 100 дБ. Оркестр создает пре- дельно большие звуковые давления (до 40 Па), но вероятность их возникновения и длительность непрерывного существования ни- чтожно малы. Среднее звуковое давление, создаваемое оркестром на расстоянии 4 м от эстрады, 0,5.. 0,7 Па; а создаваемое орато- ром на расстоянии 1 м 0,1 Па. Пиковое значение мощности излучения изменяется в очень ши- роких пределах от одного музыкального инструмента к другому: 0,05 Вт — треугольник; 0,29 Вт — бас-саксофон; 24,6 Вт — боль- шой барабан. Для музыкальных сигналов (симфонический ор- кестр) это значение изменяется в пределах 8,2... 66,5 Вт, но чаще всего составляет 10... 14 Вт. Разность между квазимаксимальным (МКВмакс) и усредненным (Ncp) за длительный промежуток времени уровнями называют пик-фактором: П = ЫКв.макс—Ncp. Пик-фактор показывает, насколь- ко ниже средний уровень по сравнению с его квазимаксимальным значением. Для музыкальных сигналов он может достигать 20 дБ и более (звучание симфонического оркестра), а для речевого сиг- нала в среднем составляет 12 дБ. Не следует смешивать два разных понятия: динамический ди- апазон сигнала Dc и канала DK передачи. Последний зависит как от уровня шумов в тракте, так и от номинального напряжения: Ок = 201g — (AN, + AN2). (2.39) Здесь Ином — номинальное напряжение; 11ш— напряжение шума, измеренное псофометром (значения UHOm и (7ш должны быть при- ведены либо ко входу, либо к выходу канала передачи); AN] — 50
уровень перекрытия помех шумов, дБ (обычно около 20 дБ); ДЫг — допуск на перегрузку (обычно 3 ... 6 дБ). Заметим, что первый член выражения (2.39), определяющий предельно возможные границы динамического диапазона, называ- ется в соответствии с терминологией ОИРТ отношением сигнал- шум. Очевидно, что передача СЗВ по каналу звукового вещания без искажений возможна, если DC<ZDK. Так как для реальных акусти- ческих сигналов это условие в ряде случаев не выполняется, то необходима предварительная обработка СЗВ, заключающаяся в сокращении его динамического диапазона, который в каналах и трактах звукового вещания (после обработки исходных сигналов звукорежиссером) не превышает 40 дБ Если принять, что распределение уровней СЗВ во времени под- чиняется закону Гаусса (а это весьма часто допускается при рас- четах), то отношение средней мощности (Рср) сигнала звукового вещания к квазимаксимальной (Рквмакс) можно найти из выра- жения •Рст Гкв макс макс = ехр — 0, 1 15DC ' 1 — 0,115£)с гМакс 0,115Dc 2г2 макс (2.40) где Dc — динамический диапазон СЗВ; гмаКс= (NKB макс/о) =2,05; 2мин= (NKB мин/о) =—2,05; о — среднеквадратическое отклонение; Ф(-)—значение интеграла вероятностей (для его вычисления со- ставлены таблицы). Из (2.40) следует, что отношение Рср/Ркв макс зависит только от значения Dc и от заданных вероятностей превышения квазимакси- мального Nkb макс и квазиминимального Nkb.mhh уровней, опреде- ляющих нормированные отклонения гчакс и гмин. Если эти вероят- ности соответственно равны 0,02 и 0,98, то гмакс = 2,05, а гмин = =—2,05. Зависимость изменения относительной средней мощности СЗВ от динамического диапазона (<Рср/Ркв.макс) =f(Dc), полученная с помощью выражения (2.40), приведена на рис. 2.18. При реаль- ных значениях Пс = 20... 40 дБ в трактах системы звукового веща- ния отношение Рср/^кв макс изменяется в пределах 0,053 ... 0,155 (теоретические результаты), т. е. остается существенно меньшим 1. По экспериментальным данным, отношение Рср/Рмакс (где /’макс — мощность синусоидального сигнала, равного наибольшему значению СЗВ) за 9,5 ч передачи первой общесоюзной програм- мы после регулирования уровней звукорежиссером составило 0,07, а для автоматического регулятора-ограничителя максимальных амплитуд 0,13. Последний дополнительно сокращает динамический диапазон СЗВ на 5... 6 дБ. Отклонение отношения Рс?1Ркъмжс от 4; 51
бенно мощных вещательных Рис. 2.18. Изменение относительной сред- ней мощности сигнала звукового веща- ния от динамического диапазона (сред- нестатистические данные) значения 0,13 составляет не бо- лее 20%, т. е. изменяется в пре- делах 0,104 ... 0,156. Столь малое отношение сред- ней мощности к максимальной свидетельствует о том, что ре- жим номинальной мощности до- стигается лишь в течение незна- чительной части общего времени передачи. Это следует учитывать при разработке аппаратуры, осо- усилителей, развивающих номиналь- ную мощность в течение коротких (длительностью не более 10 ... ... 20 мс) промежутков времени. 2.9. СТРУКТУРЫ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ Электроакустические системы, применяемые в звуковом веща- нии, предназначены для передачи звука из первичного помещения (концертный зал, радиовещательные студии и т. п.) во вторичное (жилая комната радиослушателя). Они объединяют комплекс технических средств, предназначенных для формирования СЗВ на стороне передачи (студийный тракт), и звуковоспроизводящий комплекс, служащий для преобразования, усиления и воспроизве- дения этих сигналов на приемной стороне. В состав электроаку- стической системы не входят тракты первичного и вторичного рас- пределения программ, а также высокочастотные части радиопри- емной и телевизионной аппаратуры. Иначе говоря, это совокуп- ность устройств, предназначенных для формирования, передачи и воспроизведения звуковых сигналов в своей естественной форме. Электроакустические системы должны обеспечить наиболее полную передачу всего комплекса ощущений, свойственных естест- венному слушанию: пространственного впечатления, прозрачности звучания, естественности тембров инструментов и голосов, музы- кального равновесия (баланса) отдельных элементов сложного звучания, окружающей акустической обстановки, т. е. иллюзии пе- реноса слушателя в первичное помещение с теми или иными аку- стическими свойствами; кроме того, электроакустические системы должны создать широкие возможности для творческой фантазии 52
I Каналы I '--------------' Первичное помещение | передачи '^Вторичное помещение Рис. 2.19. Структурные схемы обобщенной (а) и обычной стереофонической (б) электроакустических систем звукопередачи звукорежиссера, включая создание звуковых эффектов, что труд- но или даже невозможно в условиях естественного слушания. Даже при идеальных параметрах качества электроакустиче- ской системы воссоздать во вторичном помещении все структур- ные особенности первичного звукового поля практически невоз- можно. С этой позиции электроакустическую передачу следует рассматривать не как пассивное отображение первичного звуко- вого поля студии, а как процесс активной творческой переработки (звукорежиссуры) исходной звуковой информации с целью конст- руирования (при воспроизведении на приемной стороне) нового звукового поля, часто совершенно непохожего на исходное (пер- вичное), но позволяющего обеспечить полноценное восприятие эстетической и семантической информации в том виде, как это за- думали звукорежиссер и исполнители (музыканты). В самом общем виде структурная схема электроакустической системы звукопередачи изображена на рис. 2.19,а, где 1, 2, 3,..., ...,N— входные каналы звуковых сигналов, получаемых непосред- ственно от микрофонов, устройств воспроизведения магнитных за- писей, ревербераторов и т. п.; Ф — совокупность устройств, с по- мощью которых звукорежиссер формирует из N первичных сигна- лов п канальных сигналов (1, 2,..., п), подлежащих передаче на выходную сторону системы; Ф может включать в себя коммута- ционные и смесительные устройства, разнообразные по назначе- нию регуляторы уровня, устройства кодирования пространствен- ной информации, корректоры формы амплитудно-частотной харак- теристики, ревербераторы и т. д.; обычно число первичных сигналов Af значительно превышает число п каналов передачи; В — совокуп- 53
ность устройств, посредством которых из п канальных сигналов получаются сигналы 1, 2, ..., Л/), воспроизводимые громкоговорите- лями Гр1, Гр2,ГрЛ^[ системы воспроизведения (СВ). Электроакустические системы звукопередачи разделяют преж- де всего по числу каналов передачи («) и воспроизведения (М). В звуковом вещании наибольшее распространение получили две разновидности таких систем: монофонические (az = AG = 1) и обычные стереофонические (п—Ni—2). Монофоническими назы- вают системы звукопередачи, в которых передающая и приемная стороны связаны одним каналом передач п=1, число каналов вос- произведением также равно 1, система воспроизведения содержит один громкоговоритель. В отличие от этого обычная стереофониче- ская система звукопередачи (рис. 2.19,6) имеет два независимых канала передачи (п = 2). Панорамно-кодирующие устройства ПКУ' преобразуют исходное множество первичных сигналов в левый Л и правый П сигналы стереопары- V Л' П=2а2гхг(0. (2.41) (=1 где аи и a2t— пара коэффициентов кодирования первичного сиг- нала формирующего при воспроизведении г-й источник зву- ка стереопанорамы Значения этих коэффициентов однозначно оп- ределяют местоположение i-го источника звука на линии базы громкоговорителей Гр1 и Гр2. Совокупность пар коэффициентов кодирования {ац, a2l}N исходного множества первичных сигналов образует матрицу пространственного кодирования А. Ее элементы в общем случае являются функциями времени. На приемной стороне системы сигналы стереопары после уси- ления У воспроизводятся громкоговорителями Гр1 и Грг- При этом звуковоспроизведение левого и правого сигналов стереопары можно реализовать с помощью разнесенной системы воспроизведения, состоящей из двух громкоговорителей, устанавливаемых перед слушателем на некотором расстоянии друг от друга; совмещенной системы воспроизведения, когда громкоговорители левого и пра- вого каналов конструктивно объединены в одном корпусе, здесь же обычно располагается и электрическая часть стереоприемника, магнитофона или электрофона; комбинированной системы воспро- изведения, в которой низкочастотные звенья левого и правого гром- коговорителей объединены, а средне- и высокочастотные звенья выполнены в виде отдельных выносных громкоговорителей, имею- щих достаточно малые габариты. Наряду с громкоговорителями для воспроизведения сигналов Л и П можно использовать и сте- реотелефоны. 54
2.10. КАЧЕСТВО МОНС- И СТЕРЕОФОНИЧЕСКОГО ЗВУЧАНИЯ 2 10 1 ПРИЗНАКИ КАЧЕСТВА СТЕРЕОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ Качество моно- и стереофонического звуковоспроизведения проявляется прежде всего в совокупности ощущений, которые по- зволяют отличить один способ звукопередачи от другого. Обобщенная ESP-модель* формирования реакции слушателя на звуковое воздействие (рис. 2.20) условно делит процесс слухо- вого восприятия на два функциональных этапа: анализ совокупно- сти ощущений, возникающих при прослушивании звуковой прог- раммы, и выделение наиболее существенных из них (каждому способу звукопередачи присуще свое множество основных ощуще- ний); синтез выделенных основных ощущений в единый звуковой образ и формирование суждения слушателя об исходном звуко- вом воздействии. Эти два противоположных по своей природе про- цесса— анализ и синтез — лежат в основе эстетического восприя- тия непрерывно изменяющейся во времени и в пространстве «жи- вой» звуковой картины. Для обобщенной оценки качества звучания Q в психофизике обычно используют линейную многомерную модель вида k (2.42) i=i где F(!) — величины основных статистически независимых ощуще- ний (признаков качества), оцениваемые с помощью специальных психологических шкал, чаще всего в баллах; v, — весовые коэффи- циенты, определяющие значимость каждого ощущения при фор- мировании общей оценки. Размерность пространства этой модели равна числу k основных ощущений F<!), их значения откладывают- ся вдоль соответствующих координатных осей. Оценке качества Q соответствует точка многомерного пространства. Каждому виду звучания (монофоническому, той или иной раз- новидности стереофонического) присуще свое множество призна- ков (ощущений) при вполне определенном значении каждого из них. Несовершенство же технических параметров устройств, вхо- дящих в состав электроакустической системы звукопередачи, при- водит к изменению этих ощущений, количественных связей между ними. Все это затрудняет оценку потенциальных возможностей ис- следуемой системы звукопередачи. По этой причине устройства, * Название ESP-модель — от первых букв английских слов- Emotional Response, Sensation, Phisical characteristics — эмоциональная реакция, ощуще- ние, физическая характеристика. 55
Збцкобое бозаейстбие Рис. 2.20. Обобщенная модель формирования эмоциональной реакции слушателя на звуковое воздействие входящие в состав системы звукопередачи, должны вносить иска- жения, лежащие ниже порогов их слуховой заметности. Пока единственно возможным методом всестороннего исследо- вания качества звучания являются субъективные экспертизы. Ка- чество звучания оценивают либо по признакам (в этом случае экс- перт в анкете описывает ощущения, возникающие у него при вос- приятии данного вида звучания, например, в своих терминах,, смысл которых потом уточняется в индивидуальной беседе), либо в целом по предпочтительности (эксперт отмечает в анкете, какое звучание из предъявляемых он предпочитает). Обычно эксперту предъявляются для оценки пары звучаний (парное сравнение). Заметим, что предпочтительностью называется число экспертопо- казаний за данную систему (при сравнении с другой) к общему их числу. Сопоставление моно- и стереофонического звучаний позволило выявить признаки (компоненты), характеризующие качество по- следнего: пространственное впечатление, т. е. разнесенность отдельных элементов стереофонической звуковой панорамы как по фронту вдоль линии, соединяющей громкоговорители, так и в глубину от нее, причем местоположение источников звука, соответствующих отдельным музыкальным инструментам, может быть четко лока- лизовано в этой области пространства; объемность звучания; прозрачность звучания, благодаря чему легко выделяются и раздельно воспринимаются инструменты, голоса или их группы на фоне звучащего ансамбля; правильность передачи тембров инструментов, высокая естест- венность их звучания как в момент удара молоточком по струнам (нестационарный процесс), так и во время звучания струны; 56
Таблица 2-5 Компоненты стереоэффекта Весовые коэффициенты, квалифицирован- ные эксперты (музыканты, звукорежиссеры) обычные слуша- тели Пространственное впечатление, ширина звуко- вой панорамы, объемность звучания 0,27 0,34 Прозрачность (ясность, четкость) звучания 0,2 0,1 Естественность и богатство тембров, гулкость басов 0,4 0,32 Чистота звучания 0,12 0,04 передача «басовых» звуков инструментов оркестра без излиш- ней гулкости; лучшее, чем при монофонической передаче, восприятие акусти- ческих особенностей первичного помещения: его размеров, свой- ственной ему специфичности звучания — гулкости, теплоты, мяг- кости, светлости, звонкости и т. п. В табл. 2.5 приведены основные признаки качества стереовос- произведения, их значимость v, при оценке общего впечатления Q. Немаловажным фактором при стереовоспроизведении является возможность воздействия на слушателя направленностью прихода звуков, что позволяет подчеркнуть конфликтность различных тем, их объединение, сопоставление, противопоставление и т. п. Это важный фактор усиления эмоционального воздействия передачи, несвойственный монофоническому воспроизведению, где все ис- точники звука, составляющие ансамбль, воспринимаются слуша- телем из одной точки — громкоговорителя. Качество стереовоспроизведепия настолько велико, что оно предпочитается подавляющим числом слушателей и уверенно опо- знается последними (более чем в 85% случаев). При этом стерео- фоническое звучание предпочитается монофоническому даже при худших качественных показателях каналов стереопары: свыше 85% слушателей предпочитают стереофоническое звучание с по- лосой частот 50... 10 000 Гц монофоническому с полосой частот 30... 15 000 Гц, предпочтительность стереовоспроизведения сохра- няется даже при сокращении полосы частот до 100 ...6300 Гц. Стереофоническое звучание при коэффициенте гармоник до 20% предпочитается большинством слушателей неискаженному моно- фоническому звучанию несмотря на то, что такие искажения уве- ренно заметны на слух. Порог заметности шумов и помех при стереоприеме около —60 дБ, однако при отношении сигнал-шум 35...40 дБ стереофонический режим работы тюнера предпочита- ется монофоническому, хотя при этом на слух уверенно заметны шумы. 57
Решающее значение при восприятии стереофонического эффек- та играют механизмы пространственного слуха человека и преж- де всего механизмы образования кажущихся звуковых образов, их пространственной локализации и демаскировки. 2 10 2. ЛОКАЛИЗАЦИЯ КАЖУЩЕГОСЯ ИСТОЧНИКА ЗВУКА Рассмотрим особенности образования и локализации звуковых образов при стсреовоспропзвстспии Предположим, чю слушатель находится на оси симметрии У системы воспроизведения Ppi и Гр2, о изымаемые громко! оворше 1ями сшнаия Л и П не имею! раз- 1ИЧПП по времени (Хт = 0) и по \ровню (А.\=0) и получены от одного и того же источника зв\ка М (рис 2 21) В зюм случае (вжкшия обоих I ромко! овори 1 е ши < ишакмея в шилд иыковои сора;, коюрын кажемся с шпиле по распо жженным по середпы линии базы I ром ко: овор и I е ши в ючке О Эют тв\ковон обра i ЯВ1ЯС1СЯ кажущимся, его поив leinie возможно, сети сигналы, из- учаемые i ромкоговорителями, патетически связаны (коррели- рован!)!) По мере снижения коррекции мс/к;\ кана п,ными сиг- иа (ами кажещищя ис ючиик звука КПЗ нжа !и д 11 с я все менее четко, его протяженное 1 ь \ ве шчиваегся, и при \ мепыпеиии нор- мировапно!! корре ищиопиои ф\ нкции В (Ат) сш патов Л п П до 0,05 0,15 насте наем разрыв КПЗ на два деист виде 1ьны\ источпи ка звука Постедние военринпмаюня разте тио и тока тпзу ются в позициях левого Гр2 и правого fpi громкоговоритетеи Положение КИЗ на линии базы громкоговоритетеи зависит юлько от временных и пн [сисивносгных разтнчии меж у сигнала- ми, тоспигаюшпми ушен сышателя Эги разтичия могу! бытьобу- Рис 2.21 Экспериментальная установка для изучения особенностей локализации кажущегося источника звука 58
iJiK 2 22 -> iiiui'tociii i\d о1 pa ос' ii \ pom i и 1'11/ i 1 м । i iocii > < iwio' о ciu in нпя при и — 1) ii \—0 i in блы 2 / i i м 2 , 2 > м к кипения нс11>чникл n\ I OK 1 К м (a) п I 2 8 м I i J и 2 mi iioBieiibi шбо i bi । i у i Bu vi 11 пинт и иравшо шипа ihb c > c pion.ip ы ( \.\ и Ат), .ijioo мечтом распо вожения отнптнеля оinocuiс пню громко!оворителси (A\i7 и Ал ,,, где v п у — воор uina i ы стсша- le ia. pin 2 21) П01 к diet привонн к с и пшо аырз/кеп ioh > ibh<и mochi воепроизво hi moi о c i ереодффек i a oi vuid шхю/Ксппя c ре- шателя о i носите 1ыю Гр] и Гр; Смещение КИЗ (/, см рис 2 21) вправо oi центра базы б\ тем cnniaib по ю/кительным (+'/.), а влево — о I рица i етвпым (—/) Симметричное положение слушателя относительно громкогово- рителей (А\\ /==0 и Атх , = 0) Зависимости, харакiери т\ющие смещение КИЗ по i теповнем готько ин гещ ивпос т пои разнос in XN сит на iob Л и П. предс iавлепы на рис 2 22 3 тесь по оси ор- цина! отло/ьепо смещение /. каарщегося иеючпика звена oi пси i- ра биты по inoiine тио к по швине базы (/2), <1 по оси opTiniai — шачепня \\ = 20 !<> (а_/и ) \apabiei oeicHcociei / 2 । (АХ) па рис. 2 22 до всех in пов испы 1 а 1с швых сигнаюв о шпаков Вне темою \\ сопровож ia е I ся перс мешением КИЗ oi своею первоиача тьн< i о по Ю/кс нпя (•/ — О при \\=0) в юоронс громко! овори I е !я п с т стающего сш нал < большим еров сем Эк> смещение paciei с с вс тичеппем А\ Однако с же при А\ = 1 2 16 дБ КИЗ юкатизсется прамически в пошипи I ромкоговорп I е тя и та тьненшее светичение А\ не вы зывае! сто перемещения От носи Iетьное перемещение КИЗ иракишески не завист от расстояния у между слушателем и системой воспроизведения для малых баз (/=0,8.. 1,8 м, рис. 2.22,а). Поэтому здесь представ- лены результаты, усредненные по у. Для относительно больших баз (/>2,8 м) это утверждение справедливо только при у^\ (рис. 2.22,6). В этом случае при приближении слушателя к систе- ме воспроизведения на расстояние y<Zl наблюдается (при AN = 59
Рис 2 23 Зависимости относительного смещения кажущегося источника звука от временной разности сигналов стереопары для сигналов с достаточно однородным спектром мощности (а, где 1 — арфа, 2 — рояль, 3 — труба, 4 — кастаньеты) и с неравномерным распределением мощности по частоте (б, где 1—женская речь, 2 — флейта, 3 — скрипка) /=1,8 м; ДМ=0, х=0, (/=1,5 м = const) тем меньшее смещение КИЗ, чем ближе расположен слу- шатель к линии базы громкоговорителей. При введении временного сдвига (Ат) КПЗ смещается в сто- рону громкоговорителя, излучающего опережающий сигнал, ха- рактер этого смещения существенно зависит от характера рас- пределения энергии испытательного сигнала по частоте. Для сиг- налов, спектры мощности которых не имеют ярко выраженных не- однородностей распределения энергии по частоте, перемещение КИЗ имеет сравнительно монотонный характер (рис. 2.23,а). Ес- ли же спектры мощности сигналов имеют ряд энергетических пи- ков, монотонное перемещение КИЗ наблюдается только на началь- ном участке кривой =f2(Ar), где Дт<0,5... 1,0 мс (рис. 2.23,6). //2 В интервале же временных задержек от 0,5... 1 мс до 5... 7 мс эти зависимости имеют ярко выраженный индивидуальный характер,, причем наблюдается неоднократное возвращение КИЗ к центру базы при монотонном росте Ат. Однако размах этих колебаний уменьшается с увеличением временной разности и уже при Дт>- >5... 7 мс становится незначительным. Увеличение временной разности (при AN = 0) сопровождается ослаблением корреляции между сигналами Л и П, что приводит к ухудшению четкости локализации. Протяженность КИЗ растет, в звучании появляется гулкость, увеличивается разброс эксперто- показаний и, наконец, при At = ДКор наступает разрыв КИЗ. Значения Дт'ор для разных типов вещательных сигналов приведе- ны в табл. 2.6. Действие на орган слуха временной разности Ат можно ком- пенсировать соответствующим значением AN до тех пор, пока Дт<^Дт'рр> где ДК'ор —пороговое значение временного сдвига, приводящее к разрыву единого КИЗ при компенсации. Для раз- ных типов вещательных сигналов во всех случаях ДК' < Дт'
Т аб лица 2.6 Вид вещательного сигнала Дт'по?> мс Дт"пор’ МС Вид вещательного сигнала мс Дх,/пор’ мс Кастаньеты 30 4 Речь женская 50 5.-.8 Ксилофон 50 5 Скрипка 100 9...12 Барабан малый 50 5 Альт 100 9...12 Барабан большой 50 6 Рояль 100 12.-.16 Коробочка 40 6 Кларнет 100 16...20 Бубен 40 6 Виолончель 100 21...30 Речь мужская 50 5...7 (см. табл. 2.6). При компенсации временного сдвига интенсивно- стной разностью разрыв КИЗ наступает при значениях нормиро- ванной корреляционной функции 5(Дт)=0,15 ... 0,2 для всех ти- пов сигналов. Асимметричное положение слушателя относительно громкого- ворителей (ANx,y=#0 и Лтх,у¥=0). При боковом смещении слушате- ля (рис. 2.24,а) расстояния до левого li(x, у) и правого 12(х, у) громкоговорителей оказываются неодинаковыми. При этом появ- ляются дополнительные интенсивностные (ANx,y) и временные- Рис 2.24 Пример бокового смещения слушателя (а) и зависимости относитель- ного смещения кажущегося источника звука от бокового смещения слушателя при Лт=0, х=0, /=2,8 м, у=2 м, х=1,5 (1), х=2 м (2), х=0,5 (3), х=0,25 (4), х=0 (5), х=—0,25 м (6), х = — 0,5 м (7) (б) 61:
К.х,дБ/мс Рис 2.25. Зависимости коэффициента эквивалентности от бокового смещения слушателя (а, где-----------аппроксимация выражением (2.44)) и от положе- ния ка кущегося источника звука на линии базы громкоговорителей при сим- метричном (7) и асимметричном (2) положениях слушателя (б, где х=0,5 м; (/ = 2,0 м; /=1,8 м) (Атх,!/) различия исходных сигналов, поступающих от громкогово- рителей в точку прослушивания А(х, у). Появление ANa-,z/ и Атж,у приводит к смещению КПЗ (при AN = = 0 и Ат=0) в сторону ближайшего к слушателю громкоговори- теля. Основную роль при этом играет Axv,y, однако нельзя прене- бречь и влиянием AN.T,y (особенно при малых у и больших х). В качестве иллюстрации на рис. 2.24,6 приведены зависимости и/(//2) (AN), полученные при речевом испытательном сигнале для разных значений х (ненаправленные громкоговорители). При AN = 0 кажущийся источник звука локализуется в области бли- жайшего громкоговорителя, т. е. |х| = (0,7 ... l,0)Z/2. Перемеще- ние КПЗ ощущается только при определенном значении введен- ной AN, компенсирующей действие на орган слуха ANx,y и Дтх,». При больших значениях х и малом у составляющие ANX у и Атх.у велики, и для их нейтрализации (там, где это еще не приводит к распаду КПЗ) требуется ввести AN^IO дБ, в то время как для больших значений у и малых х нейтрализующая интенсивностная разность составляет лишь 2...3 дБ. Неизменность формы кривых (рис. 2.24,6) говорит о незави- симости действия на орган слуха временных и интенсивностных различий. Коэффициент эквивалентности. Наиболее общий способ опре- деления местоположения КИЗ при AN=7^0, тА=/=0, ANx,y=#0, Атд.у^О основан на использовании такого понятия, как коэффи- циент эквивалентности Kx = AN(x, у)/Ат(х, у), (2.43) 62
где AN(x, у) и Ат(х, у)—соответственно интенсивностное и вре- менное различия сигналов громкоговорителей Tpi и Грг, необхо- димые для возвращения КПЗ в центр базы при расположении слушателя в точке с координатами х и у. Значение Кх (рис. 2.25) не зависит от размеров базы /, расстояния до нее, если у^1 м, и составляет около 10 дБ/мс при х=0 и резко уменьшается с уве- личением бокового смещения слушателя, составляя уже при х= = 1,0 м около 1,5 дБ/мс. Экспериментальная зависимость (рис. 2.25, сплошная линия) хорошо аппроксимируется выраже- нием Кх= [5,5( И-Н) ехр (-9,3|х|) +4,8[ехр(- 1,3 ] х |). (2.44) Здесь х выражено в метрах. Выборочные эксперименты с други- ми программами (звучания музыкальных инструментов) дали та- кие же результаты, но с большим разбросом экспертопоказаний. Эквивалентную интенсивностную разность, вызывающую такое же смещение КИЗ, что и одновременно действующие AN, Ат, ANx,,7 и Дтх.г/, можно рассчитать по формуле AN3=(AN+ANx,y)+Kx(AT+ATx,j,). (2.45) И затем с помощью зависимости х/(//2) =fi (AN), полученной при Ат=0 и х=0 (рис. 2.22), найти относительное смещение x/(Z/2) кажущегося источника звука. Рис. 2.26 Зоны полного (/) и частичного (2) сте- реоэффекта (А — точка оптимального слушателя, ф=60°) 2 10.3. ЗОНА СТЕРЕОФОНИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА Предпочтительность стереофонического звучания перед моно- фоническим существенно зависит от местоположения слушателя относительно громкоговорителей системы воспроизведения. В очень малой области (/ на рис. 2.26) она составляет более 85%. Эту область назовем зоной полного стереоэффекта. Здесь сохраняется качественно правильная лока- лизация КПЗ, пространственные искаже- ния стереопанорамы малы: смещения КПЗ от своего истинного положения не превы- шают 10% от размера базы I громкогово- рителей. По мере смещения слушателя от оси симметрии громкоговорителей предпоч- тительность стереовоспроизведения пада- ет. Она сохраняется до тех пор, пока ан- самбль воспринимается слушателем, про- странственно разделенным хотя бы на три группы. Когда число воспринимаемых на- правлений сокращается до одного, пред- почтительность стереовоспроизведения ис- чезает. Эта закономерность объясняется тем, что решающее значение при восприя- 63
тии признаков качества стереофонического эффекта имеют меха- низмы образования КИЗ, их пространственной локализации и .демаскировки. Площадь пола помещения прослушивания, где предпочтитель- ность стереовоспроизведения (перед монофоническим звучанием) ^составляет 60 ...85%, назовем зоной частичного стереоэффекта (2 на рис. 2.26). В этой зоне число раздельно воспринимаемых на- правлений не менее трех. При этом наибольшие пространствен- ные искажения стереопанорамы свойственны для мест прослуши- вания, расположенных напротив громкоговорителей системы вос- произведения. Здесь предпочтительность уменьшается до 60%. 2.11. СТЕРЕОФОНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПОВЫШЕННОГО КАЧЕСТВА ЗВУЧАНИЯ 2.11.1. МНОГОКАНАЛЬНЫЕ СТЕРЕОФОНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Напомним, что к этому классу систем относятся те из них, которые удов- .летворяют условию n=N\>2. Результаты экспертиз по оценке качества звучания многоканальных систем показаны на рис. 2.27. Здесь же изображено располо- жение микрофонов в помещении записи и громкоговорителей (рис. 2.27,а) в помещении прослушивания. Варианты систем X обозначены цифрами 0,1,2,... ...11 (рис. 2.27,б). Результатом экспертиз явилась обобщенная оценка качества звучания Q, в баллах (2.42). По оси абсцисс на рис. 2.27,в отложен порядковый •номер системы звукопередачи 0, 1,2,..., 11. За базовый вариант при сравни- тельном прослушивании пар звучаний принято звучание обычной стереофониче- •ской системы (n=N} — 2), поэтому для нее Q=0. Результаты этих экспертиз позволяют сформулировать следующие выводы: увеличение числа каналов передачи повышает качество звучания; лучшие ва- рианты многоканальных систем (б и 11 на рис. 2.27,в) уверенно предпочитаются обычной стереофонической системе звукопередачи, их внедрение может обеспе- чить новый качественный скачок в развитии радиовещания, телевидения, кинема- тографии: для каждого числа раздельных каналов передачи существует оптимальный вариант расстановки громкоговорителей в помещении прослушивания, обеспечи- вающий предельно достижимое для данного значения п качество звучания Q; при этом чем больше область пространства, в пределах которой система звуко- передачи способна обеспечить восприятие направлений прихода звуков, тем выше (при прочих равных условиях) обеспечиваемое ею качество звучания; при многоканальном воспроизведении основную роль играют признаки каче- • ства, связанные с пространственным восприятием: полнота, глубина, ясность (прозрачность) звучания. Наиболее очевидным путем повышения качества звучания является увели- чение числа раздельных каналов передачи звука п и соответственно с этим ко- личества громкоговорителей системы воспроизведения при условии оптимального размещения .последних относительно слушателя. Однако увеличение п требует разработки нового комплекса аппаратуры студийного тракта радиодомов, теле- центров, студий звукозаписи, создание и внедрение принципиально нового пере- дающего оборудования, включая аппаратуру подачи программ звукового веща- ния, и, конечно, соответствующих устройств индивидуального пользования (маг- ниюфонов, электрофонов, радиоприемников, тюнеров и звуковоспроизводящих комплексов). Поэтому этот путь целесообразен лишь в том случае, если все другие возможности повышения качества звучания, не требующие столь карди- нальных перемен, уже полностью исчерпаны. • 64
6 □ □ □ ха 7 8 □□ □□] |аа □□ □ ха х ______ [□____□ ° S) ° S □ □ □ ха □□ ю а □ □ ха □□ 11 аа аа а х а а а о Рис. 2.27. Расположение микрофонов (а), громкоговорителей (б) и обобщения оценка качества звучания (в) для исследованных вариантов (б) многоканальных стереофонических систем 2.11.2. БИНАУРАЛЬНАЯ СТЕРЕФОНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА В бинауральной системе звукопередачи синтезируются левый Лв и пра- вый Пб сигналы стереопары, тождественные тем, которые воздействовали бы на входы слухового анализатора слушателя при расположении последнего в кон- цертном зале. Новыми элементами по сравнению с обычной стереофонической системой здесь являются бинауральный регулятор направления (БРН, рис. 2.28.а) на передающей стороне и бнфонический процессор БП на стороне при- ема звуковой информации. В качестве БРН применяют искусственную голову (слева на рис. 2.28,6) с встроенным в ее слуховые тракты микрофонами или адекватное ей по параметрам электрическое устройство (справа на рис. 2.28,6). Последнее представляет собой пространственный фильтр, совокупность пар значений коэффициентов передачи которого Нуй, Н «21 однозначно определяет место в пространстве i-го источника звука, формируемого сигналом Множество {Hw, Н образует матрицу пространственного кодирования А сигналов {-4(0}w. При этом сигналы Лб и По, 5—6697 65
Первичное помещение передачи Вторичное помещение 6) Рис. 2.28. Структурные схемы бинауральной и матричной стереофонических передаваемые по двум раздельным каналам связи, равны: Лб = 3 (2.46) 0=1 / = 1 где N—число первичных сигналов; xi(t)—временная функция сигнала i-ro ис- точника звука Заметим, что элементы матриц пространственного кодирования А для бинауральной и обычной стереофонической систем не тождественны В от- личие от последней величины ГЛр: и F?V2 имеют сложную частотно-временную за- висимость от азимутального угла <р источника звука. Пространственное декоди- рование бинауральной пары сигналов Лв и Пв выполняется в слуховом анализа- торе слушателя. Бифонический процессор (рис 2 28,а) обеспечивает подведение к левому 1 и правому 2 входам слухового анализатора бинауральной пары сигналов Лб, Пб в своей первоначальной неискаженной форме. Он необходим для компенсации: мешающего действия перекрестных сигналов громкоговорителей (их влияние опи- сывается передаточными функциями Hi2 и H2i)-, изменений, происходящих в сиг- налах, поступающих от левого громкоговорителя Tpi на левое ухо 1 и от пра- 66
Первичное помещение передачи Вторичное помещение 6) систем повышенного качества звучания вого громкоговорителя Гр2 на правое ухо 2 и описываемых соответственно пере- даточными функциями /7ц и Н22; отраженных от поверхностей жилого помеще- ния сигналов, составляющих его реверберационный процесс и воздействующих соответственно на левый 1 и правый 2 входы слухового анализатора. Звучание бинауральной системы звукопередачи уверенно предпочитается обычному стереофоническому («=1^ = 2), она создает эффект присутствия слу- шателя в концертном зале с хорошими акустическими свойствами. Однако при применении громкоговорителей зона прослушивания в этой системе ограничена практически лишь одной точкой, где скомпенсировано влияние Иц, Н12, Н21, Н21. Область применения бинауральной системы звукопередачи весьма ограничена; переносная аппаратура и индивидуальное прослушивание программ. Она не эф- фективна для условий коллективного прослушивания (телевидение, кинемато- графия). 2.11.3. МАТРИЧНАЯ СТЕРЕОФОНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С АДАПТАЦИЕЙ КАНАЛОВ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ Обобщенная структурная схема матричной стереофонической системы с адап- тацией каналов воспроизведения изображена на рис. 2.28,в. Здесь 1, 2, 3, ... .... N — входы пульта звукорежиссера ПЗ, на которые поступают сигналы хх (/) 5* 67
от микрофонов или с соответствующих выходов многоканального магнитофона; ПКУ — панорамно-кодирующее устройство, являющееся составной частью ПЗ; АДУ — адаптивное декодирующее устройство, в его состав входят блок управ- ления БУ и управляемая декодирующая матрица УДМ; Грь Гр2........ Грд^ — громкоговорители системы воспроизведения СВ. Основной целью адаптации является повышение качества звучания (по срав- нению с обычной стереофонией), расширение зоны стереофонического эффекта с высоким уровнем предпочтительности и как следствие этого возможность успеш- ного применения в помещениях как малого (жилая комната), так и большого объ- ема (кино- и видеозалы). Заметим, что предельно достижимым качеством звуча- ния здесь является то, которое обеспечивается в многоканальной стереофониче- ской системе с идентичной системой воспроизведения. Последняя может рассматриваться для систем с матрицированием сигналов (Д=2, Mi>2) в каче- стве эталона. Суть адаптации заключается в оперативном изменении коэффициентов пере- дачи каналов воспроизведения в зависимости от текущего состояния сигналов стереопары Л и П. Состояние последних непрерывно анализируется в блоке уп- равления БУ. Здесь с помощью специальных критериев оценки происходит раз- деление всей возможной совокупности состояний на области (группы), для каж- дой из которых реализуется свой (оптимальный для данных условий) алгоритм декодирования сигналов стереопары. Алгоритм декодирования определяют сиг- налы управления, которые по результатам анализа формирует БУ. Этот сигнал (или их совокупность) преобразуется далее в управляющее напряжение иу или совокупность таких напряжений {«у}^ , под действием которых и происходит изменение коэффициентов передачи УДМ, а следовательно, и регулирование уровней сигналов, воспроизводимых громкоговорителями системы воспроизве- дения. Процедура кодирования исходного множества первичных сигналов {*<(?)}w здесь, как и в обычной стереофонической системе звукопередачи, описы- вается выражением (2.41). При этом каждому состоянию сигналов стереопары в момент времени ti соответствуют также изменяющиеся во времени множества пар коэффициентов кодирования {ац, a2/}w исходной совокупности первичных сигна- лов {аг,-(^)}лг и множество коэффициентов декодирования ^/2}#! сигналов Л и П. Первое множество образует матрицу панорамного кодирования А сигна- лов источников, второе—матрицу пространственного декодирования В сигналов стереопары. Каждый первичный сигнал xi(t) при воспроизведении на стороне приема формирует свой определенным образом расположенный в пространстве звуковой образ. Его место в пространстве однозначно определяют соответст- вующие элементы матриц А и В, а также выбранный вариант расположения громкоговорителей СВ в помещении прослушивания. Заметим, что в режиме формирования единственного КПЗ элементы матрицы В изменяются во времени вслед за перемещением этого КПЗ в пространстве. В этом случае следует го- ворить об адаптации ее элементов как к сигналам стереопары, так и к выбран- ному варианту расположения громкоговорителей в помещении прослушивания. В режиме формирования множества КПЗ элементы матрицы В не изменяются во времени; в этом случае можно говорить лишь об адаптации ее элементов к системе воспроизведения. В звуковоспроизводящих системах телевидения и радиовещания, предназна- ченных для работы в жилой комнате, где проблема расширения зоны стереоэф- фекта не является столь острой, как в кинематографии, блок управления может отсутствовать. При этом наилучшие условия для передачи пространственной ин- формации обеспечиваются, если декодирование сигналов Л и П осуществляется по правилу: система воспроизведения типа «трапеция» (/, рис 2.28.г). ЛФ = Л, ЛТ = Л — 0.714П, ПФ = П, ПТ = П —0.714Л; (2.47) 68
система воспроизведения типа «треугольник» (2, рис. 2.28,г) ф = 0,5(Л + П), ЛТ = Л — 0.714П, (2.48) ПТ=П—0,714Л, где Ф, ЛФ, ЛТ, ПФ, ПТ — сигналы, воспроизводимые громкоговорителями соот- ветствующей системы воспроизведения. Заметим, что на рис. 2.28,г приведены для каждой из них размеры области уверенной локализации КПЗ. Обе системы (2.47) и (2.48) обеспечивают передачу пространственной инфор- мации в пределах всей горизонтальной плоскости и существенное повышение ка- чества звучания, совместимы с обычной стереофонической системой, пригодны для телевизионного вещания, позволяют использовать для синтеза стереопано- рамы стандартный панорамный регулятор. Контрольные вопросы 1. Определите понятия: звуковое поле, звуковая волна, звуковое давление. Каков механизм возникновения звуковой волны? Назовите основные физические характеристики звукового поля. 2. Как устроен слуховой аппарат человека? Назовите основные субъективные характеристики звука. 3. Определите понятия: громкость звука, абсолютный и относительный поро- ги слышимости, критическая полоска слуха, частотная группа слуха, маскировка сигналов. 4. Что характеризуют кривые равной громкости? Как орган слуха оценивает азимут источника звука? 5. Поясните различия между понятиями: мгновенное значение сигнала зву- кового вещания, уровень, динамический уровень. От каких факторов зависит из- меренное значение уровня? 6. Являются ли статистические характеристики вещательных сигналов устой- чивыми в строгом смысле этого слова? 7. Изобразите графически распределение мгновенных значений и уровней ве- щательных сигналов во времени. Какими зависимостями они могут быть аппро- ксимированы? 8. Что называется номинальным уровнем? Какова вероятность появления вы- бросов малой и большой длительности? 9. Определите понятия: текущая, среднеминутная, долговременная мощности, энергетический спектр. Изобразите графически спектры речевых и музыкальных сигналов. Что характеризует пик-фактор? 10. Что называют динамическим диапазоном слуха, вещательного сигнала, электрического канала, тракта, звена? Как определяется этот параметр? 11. Чем определяется необходимость сокращения динамического диапазона сигнала? Как эта операция выполняется? 12. Почему с уменьшением динамического диапазона сигнала возрастает его средний уровень? 13. Каковы основные структурные отличия стереофонической системы от мо- нофонической? Назовите основные признаки стереофонического звучания и усло- вия, при которых оно предпочитается монофоническому. 14. Построите зависимости относительного смещения КПЗ при временной, интенсивностной и смешанной стереофонии. В чем причина появления простран- ственных искажений стереопанорамы? 15. Что называется коэффициентом эквивалентности? Как с помощью этой величины оценить азимут КПЗ при смешанной стереофонии, если известна зави- симость х/(//2) =/'(ДЛ7), полученная при Дт=С? 69
Глава 3. ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 3.1. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ АНАЛОГИИ Электроакустическими преобразователями называют устройства, служащие для преобразования акустических колебаний среды в электрические сигналы, и устройства обратного назначения, пре- образующие электрические сигналы в акустические колебания. Первые из них — это микрофоны, вторые — громкоговорители и головные телефоны. Микрофон образует входное звено радиове- , щательной системы, громкоговоритель — замыкающее. Благодаря линейности процессов электроакустического преоб- разования микрофоны и громкоговорители удобно в общем виде представлять в виде четырехполюсников, однако с различными по физической природе величинами на входе и на выходе. На вход микрофонов воздействуют акустические колебания, выражаемые механическими величинами — интенсивностью (силой) звука, звуковым давлением. Результатом преобразования на выходе та- кого четырехполюсника являются электрические величины — на- пряжение, ЭДС. И наоборот, на вход громкоговорителя подается электрический сигнал, а выходной сигнал, полученный в резуль- тате преобразования, характеризуется механической величиной — силой. Каждый из указанных преобразователей содержит в себе совокупность взаимосвязанных между собой механических и электрических звеньев. Для детального представления с единых позиций процессов, протекающих в преобразователях, обычно пользуются так называемым методом электромеханических ана- логий. Этот метод состоит в том, что параметры колебательных механических систем сравниваются с параметрами электрических колебательных контуров по их функциональной роли в колеба- тельном процессе, и на этом основании: устанавливаются их электрические аналогии, составляются аналогии между каждым параметром механических систем и параметрами электрических цепей, а также составляющими их элементов; отыскиваются об- щие формальные закономерности между математическим описа- нием колебательных процессов механических преобразователей и электрических колебательных контуров, а также взаимного соот- ветствия соединения и сопоставления эквивалентных схем; нахо- дятся коэффициенты связи между механическими выходными (входными) и электрическими входными (выходными) величина- ми четырехполюсника — преобразователя. Конкретные выраже- ния для коэффициентов связи в виде отношений выходных вели- чин преобразователя от входных сигналов зависят от способов преобразования. Подход к составлению электромеханических аналогий поясня- 70
a) S) 6) Рис. 3 1. Схемы, иллюстрирующие метод электромеханических аналогий ется рис. 3.1. Показанный на рис. 3.1,а колебательный контур, содержащий в своей цепи элементы L, С и R в виде сосредото- ченных постоянныхк которому приложено переменное напря- жение, сопоставляется с механической колебательной системой, совершающей вынужденные колебания (рис. 3.1,6). Здесь коле- бательные свойства определяются компонентами системы в виде дискретной массы т, гибкого элемента-—пружины См, скреплен- ной одним концом с массой, а другим —с неподвижным основа- нием присоединенного к этим же точкам схемы элемента трения /?м — активного сопротивления трения массы при ее смещениях. Это механическое сопротивление по аналогии с электрическим выражают в мехомах. Полному сопротивлению электрической цепи Z будет соответствовать полное механическое сопротивле- ние ZM, а соотношению ZK—F)v— закон Ома. Если в первом случае носителем колебаний в цепи является перемещение электрических зарядов q, создающее колебательный ток, то в механической системе колебания возникают благодаря периодическому смещению массы т относительно положения по- коя. Амплитудное значение колебательной скорости таких смеще- dx- ний v =---- соответствует максимальному значению тока I в dt контуре. Заметим также, что при параллельном соединении эле- ментов механической системы и массы, называемом соединением в узел в точке узла их колебательные скорости и смещения оди- наковы. Это дает основание сопоставлять такую систему парал- лельного соединения (рис. 3.1,6) с последовательным колебатель- ным контуром (рис. 3.1,а), в котором через все элементы цепи протекает одинаковый ток. Кроме механической колебательной системы, выполненной в виде параллельно соединенных дискретных элементов, нужно упо- мянуть и другой вариант, получивший из-за своей специфики на- звание акустических колебательных систем. По характеру коле- 1 Такой подход справедлив и для цепей с распределенными параметрами, когда указанное допущение становится недостаточно строгим, например, при сравнении размеров преобразователей с длинами волн высокочастотных состав- ляющих звукового диапазона. Такие случаи лишь несколько усложняют анализ явлений и рассматриваются особо. 71
Таблица 3.1 Электрические величины Обозначение Механические величины Обозначение Электродвижущая сила, и Сила F напряжение Смещение X Заряд q Скорость V Ток I Масса т Индуктивность L Гибкость См Емкость С Сопротивление трения *м Активное сопротивление R Полное сопротивление 2м Полное сопротивление Z баний они также относятся к электромеханическим, но не содержат дискретных масс, пружин, других гибких подвесов и трущих- ся деталей. Все эти функции осуществляются частицами атмос- ферной среды, сконцентрированными в некоторых объемах со звукоизоляцией, соединенных с внешним пространством при по- мощи труб, отверстий, других звукопроводов. Классическим представителем акустических систем является резонатор Гельмгольца (рис. 3.1,в). Здесь замкнутый объем V, заполненный воздухом, соединяется через узкую трубку длиной I с внешней средой, во входное отверстие трубки поступает звуко- вая волна. В этом случае в канале I возникнут колебания частиц воздуха. Воздух, сконцентрированный в объеме V, выполняет роль упругого элемента — пружины, способствуя концентрации частиц среды в трубке I и образуя тем самым элемент — массу. Так же проявляется и механическое сопротивление в виде трения частиц воздуха о стенки трубки. Вследствие периодического воздействия внешней силы от звуковой волны в такой системе возникают ме- ханические колебания среды. Колебательный процесс в резонато- ре можно описывать, как и в приведенной на рис. 3.1,6 механиче- ской системе с дискретными элементами. Логика сопоставления электрических и механических колебаний опирается и на сходство- между известным уравнением, описывающим колебательный про- цесс в последовательном электрическом контуре (рис. 3.1,а) под воздействием приложенного синусоидального напряжения Г-^4-Я—+ —= £/Sin< (3.1) dt dt С ’ и уравнением для механической колебательной системы (рис. 3.1,6,в), вытекающим из второго закона Ньютона, к которой соответственно приложена сила F~, изменяющаяся по закону гар- монических колебаний: d^x . dx , х г» • j ,г\ г\\ /и—4-(3.2) dt* dt 72
Рис. 3.2. Механическая колебательная система с последовательным соединением элементов (а) и аналог ее — параллельный колебательный контур (б) Сравнивая между собой почленно уравнения (3.1) и (3.2), не- трудно и тут установить, что аналогом индуктивности является соответствующий ей инерционный элемент—масса, аналогом ак- тивного электрического сопротивления — механическое сопротив- ление трения, связанное со скоростью перемещения элементов механической системы, а аналогом электрической емкости С ве- личина, обратная упругости, — гибкость пружины См. Механиче- ские аналоги электрических величин сведены в табл. 3.1. Выражения для модуля полного сопротивления |Z| и его ме- ханического аналога |ZM| вытекают из решения уравнений (3.1) и (3.2): |2| =1/R' + faL-----L-V (3.3) у \ G)C J I Z, I = 1//?7+ ---(3.4) V \ “Си ) а резонансные частоты определяются на основе аналогий как w0=\/VLC, (3.5) = 1//^. (3.6) Элементы т, См, RM, составляющие механические колебатель- ные системы, могут соединяться между собой в различных соче- таниях. В противоположность соединению в узел механическая колебательная система с последовательно соединенными т, См, RM («цепочкой», рис. 3.2,а) может быть сопоставлена с парал- лельным контуром L, С, R (рис. 3.1,6). Подобно тому как при последовательном соединении элементов механической системы колебательные смещения и, следовательно, колебательные скоро- сти разделяются между элементами, так и ток в параллельном контуре представляет собой сумму токов, протекающих по эле- ментам, IL, Ic, Ir- Подобное правило противоположности после- довательных и параллельных соединений распространяется на каждый из перечисленных элементов рассмотренных систем. Механические колебательные системы удобно изображать в виде электрических цепей, состоящих непосредственно из механи- ческих колебательных элементов т, См, RM вместо L, С, R. Такая 73
Рис. 3.3. Эквивалентная (а) и струк- турная (б) схемы механической си- стемы, а также ее электрический аналог (б) методика обычно и применяется при рассмотрении различных электромеханических преобра- зователей, тем более что некото- рые акустические преобразовате- ли содержат существенно более сложные механические (и аку- стические) колебательные систе- мы, связанные между собой. В этом случае, учитывая указан- ный способ построения схем-ана- логов, можно использовать из- вестный прием разделения сово- купности механических систем на единичные эквивалентные контуры, показанные на рис. 3.3,а в виде элементов, соединен- ных цепочкой и узлом, элемен- тов связи между ними, и изо- бражения таких контуров в структурном виде (рис. 3.3,6). При этом каждый квадратик со- ответствует определенному эле- менту системы. Все квадратики соединяются между собой ли- ниями механической связи, а штриховые линии ограничивают блоки замкнутых цепей. Затем каждый квадратик заменяется электрическим аналогом, причем при изображении электрической схемы (рис. 3.3,в) данной механической системы каждому ее элементу при- сваиваются не электрические величины, а соответствующие им механические. Если связи между элементами разветвленной системы достаточно просты, то промежуточный элемент, показан- ный на рис. 3.3,6, окажется лишним. Такое представление слож- ных электроакустических преобразователей на основе метода электромеханических аналогий в виде электрических контуров и элементов связи позволяет воспользоваться для математического моделирования аппаратом линейных электрических цепей, что существенно упрощает решение задач их проектирования. С помощью формальных аналогий между уравнениями (3.1) и (3.2) и их решений удается проанализировать основные колеба- тельные процессы подвижных узлов микрофонов и громкоговори- телей, учесть резонансные свойства их корпусов, других элемен- тов; сопоставление выражений (3.3) и (3.4) помогает найти пра- вильный подход к взаимной частотной коррекции электрических и механических узлов преобразователей, используя относительно 74
несложные устройства, показанные на рис. 3.1, 3.2, и более раз- нообразные средства, указываемые в справочной литературе [3]. Метод электромеханических аналогий применяется не только при исследовании и совершенствовании электроакустических пре- образователей, но и в других областях электроакустики, напри- мер при проектировании разнообразных акустических фильтров, студийных и театральных помещений и проч. 3.2. ВЕЩАТЕЛЬНЫЕ МИКРОФОНЫ 3.2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Микрофоны как преобразователи акустических колебаний в электрические сигналы выполняют роль входных элементов в лю- бых радиовещательных системах и бытовых радиовещательных комплексах, установках озвучения и звукоусиления. Особенно вы- сокие требования предъявляются к микрофонам при передаче и записи художественных программ. Преобразование звука в элек- трический сигнал должно производиться с высокой информацион- ной точностью, и технические требования к микрофонам очень высоки. Требуется обеспечить высокую разборчивость и узнавае- мость речевого сигнала, избежать появления различных искаже- ний и помех в пределах динамических диапазонов, достигающих при музыкальных программах 90... 100 дБ в частотной полосе до 15 кГц и более. Кроме того, нужно удовлетворять и эстетическим требованиям зрителей. Микрофон является связующим звеном между исполнителями и аппаратным комплексом радиовещатель- ной системы. При создании звуковой партии телевизионных про- грамм (например, эстрадных) он часто попадает в кадр изобра- жения. Это обстоятельство вызывает необходимость соответствия его конструкции современному дизайну. Вещательные микрофоны стараются сделать обтекаемой фор- мы и малых размеров. Микрофон, помещенный в звуковое поле, нарушает его однородность из-за отражения звуковой волны от внешних поверхностей корпуса. Обтекаемая форма снижает от- ражения до минимума, позволяя на низких частотах звукового диапазона, где длина волны намного больше размера микрофона, ими пренебрегать, а при сравнимых размерах их учитывать. хМа- лые размеры микрофона позволяют считать его системой с сосре- доточенными параметрами. Свойства микрофонов описываются многими техническими параметрами, основными из которых являются следующие: 1. Чувствительность—отношение напряжения U в вольтах на выходе микрофона к звуковому давлению рзв в паскалях, воздей- ствующему на его входной элемент: —С//р3в* 75
Чувствительность различна для ненагруженного микрофона в режиме холостого хода (если нагрузочное сопротивление не под- ключено и измеряется ЭДС на выходе микрофона) и нагружен- ного на номинальное активное сопротивление /?Ном (обычно 250... ...1000 Ом). В справочниках [3] указываются значения Еы и Кяом- При определении чувствительности и других параметров микрофонов оговариваются и условия измерения. Обычно исполь- зуется методика измерения в «свободном» звуковом поле. Звуко- вое давление в определенной точке поля измеряется с помощью специального измерительного микрофона очень малых размеров. Далее в эту точку поля вместо измерительного микрофона поме- щают рабочий и измеряют его выходное напряжение относительно звукового давления, которое было измерено в его отсутствии. Оговаривается и частота, на которой определяется чувствитель- ность (обычно 1000 Гц). Чувствительность зависит и от того, под каким углом она из- меряется по отношению к акустической оси микрофона. Для уточ- нения вводят термин «осевая чуствительность» Ёмлс, поясняющий, что она измерена в направлении акустической (рабочей) оси. Чувствительность выражают в виде уровня в децибелах отно- сительно ее условной величины— 1 В/Па. Пользуются представлением осевой чувствительности в виде ее стандартного уровня. Стандартным уровнем осевой чувствитель- ности No.m называется выраженное в децибелах отношение мощ- ности Р, развиваемой микрофоном на номинальной нагрузке RHOK (при действующем на микрофон звуковом давлении p3B=l Па), к мощности 1 мВт: N0.M , п. Р и2 Ю-з — Лномю-з где и — напряжение на нагрузке, численно равное чувствитель- ности микрофона при р3в=1 Па. 2. Направленность и характеристика направленности, вы- раженная через отношение чувствительности микрофона, изме- ряемой под различными углами оси симметрии микрофона относи- тельно нулевой координаты азимутальной плоскости. Характерис- тики (или диаграммы) направленности симметричны относительно акустической оси микрофона, однако могут иметь различную форму при различных частотах. Поэтому свойства направленно- сти характеризуются семейством диаграмм, построенных для ряда выбранных частот. Направленный микрофон может обладать определенной чув- ствительностью не только с фронтальной стороны, обращенной к источнику звука, но и с обратной. Этот фактор учитывается от- дельным параметром «фронт-тыл», измеряемым путем поворота микрофона по отношению к направлению на источник звука на 76
180° и сравнения чувствительности при таком положении относи- тельно прямого положения. 3. Частотная характеристика — это зависимость осевой чувст- вительности или ее уровня от частоты. Ее отклонения от горизон- тальной линии в номинальном диапазоне для данного типа мик- рофона определяют частотные искажения. Сам номинальный час- тотный диапазон определяют по допустимым спадам чувствитель- ности в области нижних и верхних частот. 4. Уровень собственного шума микрофона, выраженный обыч- но через уровень эквивалентного ему звукового давления рш, от- несенный к значению порогового восприятия ро—2-10~5 Па. При детальном анализе микрофонов или же их отдельных эле- ментов приведенные основные параметры могут быть дополнены другими, обычно удовлетворяющими требованиям (коэффициент нелинейных искажений, динамический диапазон и пр.). 3.2.2. ТИПЫ МИКРОФОНОВ И ИХ СВОЙСТВА В технике радиовещания используют микрофоны различных типов. Их классифицируют прежде всего по признаку приема зву- ковых колебаний входным звеном — механической колебательной системой. Затем следует классификация по способам преобразо- вания механических колебаний в электрический сигнал. Классификация по первому признаку в основном способствует правильному выбору микрофона в зависимости от требований на- правленности, которые обусловлены взаимным расположением источников звука, угловыми охватами звуковой панорамы, нали- чием акустического шума в помещении и пр. В соответствии с этой классификацией различают приемники звукового давления, приемники градиента звукового давления и комбинированные. По способу преобразования механических колебаний в элект- рический сигнал вещательные микрофоны подразделяют на элект- родинамические в двух вариантах: катушечные и ленточные, а также электростатические: конденсаторные и электретные. Каж- дый из них обладает определенными достоинствами и может быть выбран в зависимости от класса качества аппаратурного комплек- са, характера передаваемой программы и эксплуатационных тре- бований. Микрофон-приемник звукового давления изображен на рис. 3.4 в виде цилиндра диаметром D, внутренняя область кото- рого изолирована от внешней среды стенками корпуса, а на фрон- тальной стороне расположена тонкая гибкая диафрагма площадью 3. Характерной особенностью такого микрофона является то, что его входной элемент — мембрана (или диафрагма)—подвергается воздействию звукового давления только с фронтального направ- ления, другая ее сторона от прямого воздействия звука экраниру- ется корпусом. Микрофоны стараются конструировать так, чтобы 77
Рис. 3.4. Схема приема акусти- ческих волн микрофоном-при- емником звукового давления Рис. 3.5. Схема приема гра- диента звукового давления 0<СХ, где X — преимущественная длина волны для данного мик- рофона. Тогда можно считать, что переменное звуковое давление, создаваемое в звуковом поле акустическими колебаниями, будет воздействовать на мембрану микрофона в одинаковых фазах в пределах всей площади 3. Звуковые волны, попадающие на мем- брану с других направлений, благодаря относительно малому от- ношению D/Х как бы обтекают корпус микрофона и на мембрану попадают также синфазно с фронтальными. Это означает, что микрофон — приемник звукового давления обладает ненаправлен- ным действием. Характеристика направленности такого микрофо- на для этого случая представляет собой шар, в центре которого находится микрофон. Следует учесть, что практически свойство ненаправленности будет хорошо соблюдаться для низких и частично для средних частот звукового диапазона, где выдерживается условие относи- тельной малости размеров и обтекаемости его корпуса. К высо- ким частотам, однако, микрофон приобретает свойства отчетли- вой направленности в сторону передних источников звука. В приемнике градиента звукового давления акустические ко- лебания воздействуют на обе стороны диафрагмы, однако так, что для волн, падающих на внутреннюю сторону диафрагмы, соз- дается дополнительный путь Ах относительно звуковой волны, падающей на мембрану с фронтальной стороны. В результате на противоположных сторонах диафрагмы образуется разность зву- ковых давлений с взаимным фазовым сдвигом Дер (рис. 3.5,а). Для графического пояснения градиентного приема толщину d диафрагмы S микрофона условно увеличивают (рис. 3.5,6). Зву- ковая волна, достигающая тыловой стороны, должна пройти до- полнительный путь Ax=dcos0. Но поскольку справедливо соот- 78
Рис. 3.6. Характеристики направленности микрофона-приемника градиента звуко- вого давления (а) и комбинированного (б) ношение Дср/2л=Дх/Х, то Д<р=2л<7 cos 0Д. Так как F—p3BS, где S—площадь диафрагмы, то на диафрагму действует результи- рующая сила F^p3BSA(p—2n,Sp3S (d cos 0)/%. Из этого выражения видно, что при симметричном доступе волн к передней и тыловой стороне диафрагмы направленность микрофона должна также иметь симметричный характер с коси- нусоидальным распределением чувствительности (рис. 3.6,а). Чув- ствительность максимальна при углах 0 = 0 и 180° и минимальна при 0=90 и 270°. Подобные микрофоны называют двунаправлен- ными. Следует обратить внимание на то, что сила F уменьшается с увеличением длины волны, и, следовательно, к низким частотам звукового диапазона чувствительность микрофона должна сни- жаться. Однако удлинение пути Дх для волн, поступающих на внутреннюю сторону диафрагмы, вызывает их дополнительное за- тухание. Это, в свою очередь, увеличивает разность Дрзв, что час- тично компенсирует указанный частотный спад. Следует также иметь в виду, что при близких расстояниях от источника звука звуковые волны, воздействующие на диафрагму, нельзя считать плоскими. Их следует рассматривать как сферические, при кото- рых звуковое давление с приближением микрофона к источнику звука возрастает. В результате повышается в еще большей сте- пени чувствительность микрофона вблизи источника звука (прак- тически ближе 1 м), вызывая эффект подчеркивания низких час- тот. В области высоких частот длины волн звуковых колебаний становятся сравнимыми с размерами микрофона, нарушается син- фазность приема звуковых волн вдоль поверхности диафрагмы, чувствительность снижается. Для выравнивания частотной харак- теристики прибегают к взаимной частотной коррекции отдельных звеньев микрофона, а микрофон стараются расположить на долж- ном расстоянии от источника звука. Среди градиентных различа- ют так называемые асимметричные микрофоны, у которых чув- 79
ствительность для фронтального и тылового направления прихо- да звуковой волны различна. Комбинированные микрофоны характеризуются односторонней, в том числе острой, направленностью (рис. 3.6,6). Это достигает- ся путем синтеза двунаправленной характеристики градиентных микрофонов с ненаправленной, присущей приемникам звукового давления. Такой синтез проще всего осуществить путем смешения электрических сигналов от двух указанных типов микрофонов, помещенных рядом, и обеспечения параллельности акустических осей. Сигналы, полученные от фронтальных волн при смешении сигналов от микрофонов градиентного типа с указанной характе- ристикой двусторонней направленности (зависимость 1) с сигна- лами от ненаправленных микрофонов давления (зависимость 2), складываются (рис. 3.6,6), поскольку их фазы одинаковы, а сиг- налы от волн, поступающих сзади, взаимно вычитаются, посколь- ку и фазы противоположны. Результирующая направленность приобретает вид зависимости 3. При последовательном соединении нагрузок микрофонов ре- зультирующая чувствительность приемника равна EA-f-Erpcos 0, где Ед — чувствительность приемника давления, а Егр — осевая чувствительность приемника градиента давления. Соответственно в общем виде характеристика направленности E(0) = l+cos0, ес- ли Ед—Егр. При Ед=И=ЕГр можно получить диаграммы направлен- ности различной формы: круговую, двунаправленную—косинусо- идальную, кардиоиду, суперкардиоиду (рис. 3.7). При формиро- вании сложных диаграмм направленности наряду с полезным передним лепестком возникает и нежелательный задний. Уменьша- ется перепад чувствительности в направлениях «фронт — тыл». В области средних и высоких частот звукового диапазона раз- меры и форма микрофонов существенно влияют на реальные ха- рактеристики направленности, частотную зависимость чувстви- тельности микрофона и другие параметры. В процессе создания вещательных программ пользуются мик- рофонами с различной направленностью. Для приема сигналов, отраженных от поверхностей помещения, в студиях и театральных залах используют ненаправленные микрофоны; для обслуживания солистов требуются остронаправленные микрофоны типа прием- ников градиента звукового давления и комбинированных. Про- ' граммы в виде сложных музыкальных и литературно-драматиче- ских произведений формируются с помощью продуманной расста- новки в студиях групп микрофонов, каждый из которых соединя- ется экранированным микрофонным кабелем с отдельным входом звукорежиссерского пульта. При этом возникает задача выбора микрофонов конкретных типов с определенными эксплуатацион- но-техническими показателями. Встречаются ситуации, когда микрофоном требуется равно- мерно охватить широкую зону, сосредоточенную непосредственно 80
6697 00 Рис 3 7, Типичные характеристики направленности микрофонов
около него. Примером может служить докладчик, который может отклоняться от микрофона, поворачивать голову и пр. При этом необходимо воспользоваться «линейкой» микрофонов, т. е. распо- ложить перед докладчиком на некотором расстоянии друг от дру- га ряд однонаправленных микрофонов с параллельным направле- нием рабочих осей, у которых боковые зоны характеристик на- правленности складываются. 3.2.3. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ МИКРОФОНЫ В настоящее время в технике радиовещания, а также радио- обслуживания наиболее распространены электродинамические ванные. Но реализации электродинамического способа преобразо- вания микрофоны подразделяют на катушечные и ленточные. щие к нему фланцы в виде толстых стальных дисков. В центре нижнего фланца 2 располагается круглый стержень 3 (называе- мый также керном), а в центре верхнего фланца 4 круглое отвер- стие несколько большего диаметра, чем стержень 3. Магнит вы- полняется из специальной стали с присадками кобальта, титана и других металлов, создающих ему повышенные магнитные свой- ства, а фланцы и керн — из мягкой стали, удобной для обработки и обладающей хорошей магнитной проводимостью. При сборке ЭТИХ ЛРТЯТТРИ НИ ПИ'ИппииРСКЙЯ *Л-.Р.ПЙП1Я" Г’Л- Рис. 3.8. Схема устройства электроди- намического катушечного микрофона 82 ка, скрепляющую кагушку с легкой упругой диафрагмой 6. Диафрагма куполообразной фор- мы выполняется из полистирола. Она тщательно центрируется и закрепляется на верхнем фланце с помощью гофрированной шай- бы 7. Таким образом катушка движется в воздушном зазоре
только в осевом направлении, не задевая поверхностей фланца и керна. Верхнюю поверхность стержня покрывают шелковой тканью 8, зазор изнутри закрыт немагнитной шайбой 10, а в са- мом керне могут быть проделаны сквозные отверстия 11. Об их назначении будет сказано далее. Принцип действия такого микрофона заключается в следую- щем. При воздействии на диафрагму звуковых колебаний скреп- ленная с ней катушка совершает движения с колебательной ско- ростью v в направлении оси микрофона, перпендикулярном на- правлению радиального магнитного поля в воздушном зазоре. Благодаря этому в ней индуцируется электродвижущая сила е= =Blv, где В — индукция магнитного поля; I — общая длина про- ПАпа v о 'гхттг т vet ГГплпоплплипл --IZ т,т»»г ~ ~ ,---- » i V it : V Л \ CR J-LtILSL J_1 n 11 C4 1V1 Г1 Г*. Г1 Л '¥! Г! П. ~ Чувствительное микрофона-приемника давления при нали- [ии микрофонного j ансформатора определяется выражением де S — действующая поверхность диафрагмы; ZM — собственное щханическое сопротивление преобразователя; ZK — внесенное ме- :аническое сопротивление; ZH — сопротивление нагрузки микро- юна со стороны электрического выхода; Z — электрическое сопро- ивление преобразователя; n—}RH/Ri— коэффициент трансфор- мации микрофонного трансформатора, RH— сопротивление, шун- ирующее первичную обмотку трансформатора микрофонного таС i vi rivrl Ad p dix i Cp iiv 1 tiixn i\st И В ЭЮИ ЧйщИ ЧАСТОТНОГО ДИЗПЗ" зона чувствительность микрофона сохраняется примерно постоян- ной. В зоне высоких частот, где размер диафрагмы микрофона сравним с длинами волн звуковых колебаний, чувствительность начинает снижаться, поскольку начинает сказываться фазовый сдвиг от центра к краям диафрагмы, становятся заметными иска- жения звукового поля из-за отражений волн от корпуса микро- фона. Чувствительность падает и в области нижних частот, но по другой причине. Колебательная система подвижной части в виде диафрагмы с катушкой, обладающей массой т, гибкостью гоф- 6* 83
Рис. 3 9 Электрический аналог коле- бательной системы микрофона Рис. 3.10. Устройство ленточного мик- рофона рированного подвеса См и механическим сопротивлением /?м (тре- ния воздуха при движении катушки в зазоре), образует механи- ческий резонанс в области частот более высоких, чем требуется для сохранения чувствительности в области нижних частот зву- кового диапазона. За левой ветвью резонанса чувствительность резко снижается. Электрическим аналогом этой механической ко- лебательной системы с соединением элементов в узел является последовательный колебательный контур, причем, согласно пра- вилу построения эквивалентных цепей, его элементы L, С, R вы- ражаются через механические величины т\, С\, RM (рис. 3.9, сле- ва от штриховой линии). Сдвиг резонанса в сторону более низких частот согласно (3.6) требует повышения гибкости См подвеса диафрагмы с катушкой, что по конструктивным соображениям трудно, а массу диафраг- мы увеличивать нежелательно, так как это способствует увели- чению инерционности. Поэтому основная колебательная механи- ческая система дополняется акустическим резонатором. Обратим внимание, что в полости, ограниченной внутренними поверхностя- ми диафрагмы 6 (см. рис. 3.8), катушкой 5 и торцом 9 керна 3, при колебаниях накапливается энергия сжимаемого воздуха. Сле- довательно, тем самым в системе образуется как бы дополнитель- ный элемент гибкости Смо, который можно рассматривать как ис- точник вынуждающей силы. Сам резонатор можно создать, просверлив в теле керна 3 каналы 11 в виде звукопроводов соеди- няющих указанную полость с внутренним воздушным объемом магнитной системы. Обратившись к рис. 3.1,в, заметим, что подоб- ное устройство соответствует акустическому резонатору, причем гибкость его СМ2 характеризует сжимаемую воздушную среду внутри магнитной системы, а масса т? и механическое сопротив- ление /?м2, сосредоточенные внутри звукопровода, определяются 84
геометрическими параметрами последнего. Согласно правилам построения эквивалентных цепей, указанные элементы резонато- ра представляются последовательным контуром, подключенным к элементу связи Смо с основной колебательной цепью (на рис. 3.9, справа от штриховой линии). Электродинамические микрофоны — приемники градиента зву- кового давления по внешнему виду отличаются от приемников давления в основном тем, что позади входного колебательного элемента в магнитопроводе и корпусе имеются отверстия для до- ступа звуковых волн к внутренней стороне диафрагмы (как уже указано с необходимым фазовым сдвигом). В некоторых микрофонах подобного типа за счет дополнитель- ных резонаторов создают несколько корректирующих акустиче- ских контуров и таким образом получают частотную характерис- тику, относительно равномерную в больших пределах. В комби- нированных, в том числе остронаправленных, микрофонах одно- стороннего действия создаются определенные соотношения между воздействиями звукового давления на внешнюю и внутреннюю стороны колебательных систем градиентного типа посредством сложных акустических фильтров и резонаторов, асимметрии внут- ренних звукопроводов. Острую направленность характеристики можно обеспечить также синтезируя сигналы, полученные, напри- мер, от двух рядом расположенных микрофонов с различной на- правленностью. Катушечные электродинамические (динамические) микрофоны выпускаются промышленностью в широком ассортименте под обо- значением МД. В зависимости от поставленных задач можно, пользуясь справочником [3], подобрать микрофон, например, по направленности: НН — ненаправленный, ДН — двунаправленный, ОН — однонаправленный, ООН — односторонний остронаправлен- ный и пр. Микрофоны этого типа отличаются разнообразием электрических параметров: широкополосные, предназначенные для студийного использования и звукозаписи, речевые, репортаж- ные, стереофонические. Среди наилучших часто комментируемый в справочниках студийный микрофон МД-52 однонаправленного действия; его чувствительность £=0,63 мВ/Па при номинальной нагрузке; номинальный диапазон частот Д£=50... 15 000 Гц; не- равномерность частотной характеристики 12 дБ; номинальная на- грузка £н=250 Ом. Катушечные электродинамические микрофоны обладают не только хорошими эксплуатационными свойствами. Они защище- ны от механических повреждений, не чувствительны к изменениям температур и влажности. Другим видом электродинамического микрофона является лен- точный (рис. 3.10). Принцип его действия мало чем отличается от принципа действия катушечного микрофона, однако в конструк- ции имеются существенные различия. Магнитная система 1 85
(рис. 3.10,а) имеет подковообразную форму, а между плоскопа- раллельными поверхностями полюсных наконечников магнита размещается тонкая гофрированная лента 2, обладающая доста- точной прочностью при хорошей гибкости и малой массе. Для простоты рассмотрения можно представить себе ленту плоской, поскольку гофрировка нужна лишь для повышения гибкости ме- ханической прочности и удельной длины. Положение ленты отно- сительно направления силовых линий магнитного поля показано на фрагменте поперечного сечения (рис. 3.10,а, снизу). Лента 2 располагается параллельно силовым линиям поля Н (на чертеже показанным штриховыми линиями). Сам микрофон располагается по отношению к источнику звука так, чтобы сила, создаваемая акустической волной, была направлена перпендикулярно к плос- кости ленты. При ее воздействии лента будет изгибаться в на- правлении, перпендикулярном магнитному полю. Благодаря воз- никающей при этом магнитной индукции на ее концах образуется ЭДС, как и на концах провода катушки рассмотренного катушеч- ного микрофона. Однако несмотря на гофрировку, длина ленты несравненно короче провода катушки. Заметим, что для электроди- Рис 3 11 Внешний вид ленточного репортажного микрофона намических громкоговорителей коэффициент электромеханиче- ской связи Кса=В1, где В — маг- нитная индукция, а I — длина провода, в данном случае ленты с малым внутренним сопротивле- нием Поэтому для реализа- ции полученной малой ЭДС на нагрузке требуется повышающий трансформатор и с большим ко- эффициентом трансформации (рис. 3 10,6). Трансформатор раз- мещают в самом микрофоне, по- скольку наводимая ЭДС относи- тельно мала (микровольты), а на соединительный кабель могут наводиться помехи. Важно, что собственная масса колебательной системы чрезвычайно мала, а это в сочетании с большой гибкостью ленты обеспечивает меньшую инерцию подвижной части лен- точного микрофона по сравнению с катушечным вариантом. Тол- щина ленты 2 . 2,5 мкм, ширина 2 мм и длина 25 . 50 мм Поэто- му ленточные микрофоны хорошо 86
реагируют на быстрые переходные процессы, вносят очень малые нелинейные искажения при передаче, хорошо воспроизводят низ- кие частоты. Вместе с тем колебательный элемент микрофона — лента — требует очень осторожного обращения и может легко пострадать от небрежной транспортировки, движений воздуха и пр. В ленточных микрофонах (МЛ) можно реализовать различные характеристики направленности и разные диапазоны частот. В широкополосных направленных микрофонах применяют не- сколько внутренних акустических резонаторов, акустические по- глощающие лабиринты. Поскольку конструкции таких микрофо- нов сложны, их используют главным образом для работы в студиях больших телевизионных центров. Двунаправленные лен- точные микрофоны, работающие по принципу приемника гради- ента звукового давления, применяют и для высококачественной передачи при записи репортажа со стадионов, помещений с по- вышенным шумом. Фронтальная часть характеристики направлен- ности в этом случае предназначается для получения речевого сиг- нала от комментатора, тыловая — для акустического фона от дальних источников звука Для такого использования, в частности, предназначен микрофон МЛ-20, конструкция которого характерна для комментаторских целей (рис 3 11) Ми- крофон имеет удобный держатель, весит всего лишь 220 г и снабжен специаль- ным губным фиксатором, позволяющим держать его в руке на постоянном рас- стоянии от рта (8 см) С передней стороны он покрыт поролоновым встроенным защитным экраном для предотвращения помех от ветра, хорошо амортизирован и поэтому защищен от возможных шорохов при движении р;, ки Номинальный частотный диапазон микрофона 80 10 000 Гц с отклонениями чувствительно- сти менее рг2,5 дБ Для осуществления регулируемой направленности ленточные микрофоны — приемники градиента звукового давления иногда комбинируют с катушечным микрофоном — приемником звуково- го давления. 3 24 КОНДЕНСАТОРНЫЕ МИКРОФОНЫ Важным видом микрофонов, получивших распространение в технике вещания, являются электростатические: конденсаторные и электретные. Принцип действия конденсаторного микрофона достаточно прост. Его входная часть (рис. 3 12) представляет собой плоский конденсатор, состоящий из двух обкладок. Из них внешняя 1, обращенная к источнику звуку сторона, выполнена в виде тонкой круглой металлизированной изнутри диафрагмы диаметром D, скрепленной по окружности с кольцом из диэлектрика 2. Второй обкладкой конденсатора служит массивное металлическое основа- ние 3. Эту обкладку называют базой. Обкладки 1 и 3 располага- ются на малом друг от друга расстоянии d, образуя таким обра- 87
Рис. 3.12. Устройство конден- саторного микрофона зом плоский конденсатор. Он соединяется через нагрузочное со- противление /?„ с источником постоянного напряжения U=. Под воздействием звукового давления рзв диафрагма совершает коле- бания. При этом расстояние между пластинами конденсатора из- меняется, соответственно изменяется и его емкость, возрастая при сближении пластин и уменьшаясь при удалении. Но так как заряд конденсатора пропорционален приложенному напряжению и емкости q~CU=, то при увеличении емкости конденсатор будет дополнительно заряжаться и в электрической цепи образуется зарядный ток. При уменьшении емкости, напротив, образуется ток разряда. В результате на сопротивлении нагрузки Дн возни- кает сигнал, отображающий колебательный процесс диафрагмы. В простейшем варианте звуковые волны действуют лишь на ее переднюю сторону, воздушная полость, сосредоточенная меж- ду пластинами, соединена с внешней средой вспомогательным от- верстием так, что сжатия воздуха при колебаниях не происходит. При этом чувствительность микрофона Ew=&dU=l(pd). Нетрудно заметить, что схема на рис. 3.12 соответствует микрофону — при- емнику звукового давления. Конструктивно описанная входная часть микрофона выпол- няется в виде отдельного блока, называемого звукоприемным капсюлем. Диафрагма диаметром 29=6.. .20 мм выполняется из полистирола, покрытого с внутренней стороны золотом или точ- кой фольгой упругого неокисляющегося металлического сплава. Толщина фольги 2.. .30 мкм. Расстояние между обкладками стремятся сделать как можно меньше, но оно ограничивается воз- можностью пробоя, опасность которого возникает от относитель- но большого напряжения 2/=, прилагаемого между пластинами. Практически при П==50.. .60 В расстояние d=20.. .40 мкм. При этом емкость конденсаторного микрофона С=30.. .40 пФ. Микрофон — приемник градиента звукового давления имеет иную конструкцию входного узла (рис. 3.13). Его диафрагма та- кая же, как у приемника давления. Но в базовой пластине 2 де- лается ряд сквозных отверстий 3 для доступа к внутренней сторо- не диафрагмы звуковых волн с фазовым сдвигом (как на рис. 3.5). Кроме того, в этой пластине делаются несквозные отвер- стия— канавки 4— для демпфирования или создания резонанс- ных явлений с целью выравнивания частотной характеристики. Одной из существенных особенностей конденсаторных микро- фонов является то, что нагрузочное сопротивление Rn должно 88
Рис, 3.13. Фрагмент входного узла конденсаторного градиентного микро- фона Рис. 3.14. Схема устройства комбини- рованного конденсаторного микро- фона быть весьма большим — превышающим 108 Ом. Постоянная вре- мени t—RHC должна быть по возможности больше периода низко- частотных колебаний. Кроме того, из-за малой емкости входного узла недопустимым является шунтирующее действие емкости микрофонного кабеля (превышающего емкость самого микрофо- на). Поэтому входной каскад микрофонного усилителя выполня- ют на полевом транзисторе, обладающем высоким входным со- противлением, и располагают непосредственно в корпусе микро- фона. В таком случае он служит нагрузочным сопротивлением и согласующим каскадом. Конденсаторный микрофон можно вклю- чать в высокочастотные цепи, где он играет роль емкостного эле- мента колебательного контура, но в радиовещании такой способ обычно не используют. Среди разновидностей конденсаторных микрофонов (МК) встречаются и комбинированные. К ним принадлежит микрофон, составленный из двух приемников градиента звукового давления, объединенных в одном узле (рис. 3.14). В этом случае базовый электрод 1 располагается между двумя диафрагмами 2 и 3, по- добными уже рассмотренным. Между базой и каждой из пластин создают разность потенциалов с помощью постоянного напряже- ния U= внешнего источника. Такая комбинация представляет со- бой совокупность двух взаимосвязанных конденсаторных микро- фонов градиентного приема с различными характеристиками на- правленности, зависящими от степени симметрии действия. Синтез результирующей направленности может осуществляться дистан- ционно с помощью смесителя, введенного в цепи раздельных уси- лителей. Таким образом можно получить различные виды направ- 89
ленности: круговую, косинусоидальную двустороннюю, кардиоид- ную. Электретные конденсаторные микрофоны (МКЭ) по своему устройству не отличаются от обычных конденсаторных, только в них мембраны выполняются из материалов, обладающих элек- третным свойством: сохранять поляризацию в течение длительно- го времени. Такое свойство создается предварительной термиче- ской обработкой полимерных пленок в электрическом поле с вы- соким градиентом напряжения. Мембраны, изготовленные из по- добных пленок, могут обеспечить достаточные для работы микро- фонов постоянные напряжения, сохраняемые в течение многих лет. В результате отпадает необходимость в дополнительном ис- точнике постоянного напряжения и подводе питания. Главными достоинствами конденсаторных микрофонов (с источником постоянного напряжения) и электретных являются хо- рошая переходная характеристика с малой длительностью уста- новления напряжения (10 мкс и менее), гладкая частотная харак- теристика в широком диапазоне частот, высокая чувствительность, линейность, хорошие массо-габаритные показатели. Например, микрофон МК-13, предназначенный для музыкальных передач, имеет чувствительность (при нагрузке) Е—8 мВ/Па, номинальный диапазон частот 50. ..15 000 Гц при неравномерности 6 дБ, вид на- правленности НН, ОН, ДН при массе всего лишь 260 г. Электретные микрофоны особенно удобны в клубных, театральных и эстрад- ных звукотехнических комплексах высшего класса качества. Внешний вид одного из таких микрофонов со снятым ветрозащитным экраном показан на рис. 3.15, а его частотная характеристика, дающая представление о хороших частотных свойствах конденсаторных микрофонов, представлена на рис. 3 16 Кроме рассмотренных микрофонов, существуют и другие: пьезоэлектрические, электромагнитные, угольные В настоящее время их используют для передачи служебных речевых сообщений Пьезоэлектрические микрофоны, основанные на явлении поляризации некоторых сегнетоэлектриков при механической деформа- ции, иногда поименяют в недорогой бытовой аппаратуре, для любительской маг- нитной записи Для служебной связи предназначены и недорогие типы портатив- ных радиомикрофонов Радиомикрофоны по существу представляют собой приемопе- редающий комплекс, снабженный радиолинией. В этот комплекс входят микрофон с портативным радиопередатчиком (мощностью 10. ..50 мВт), который работает на отведенных для этого часто- тах в метровом диапазоне радиоволн при дальности 50.. .200 м. В качестве передающей антенны используется отрезок гибкого проводника в изоляции, прикрепленного к корпусу микрофона с передатчиком. В надлежащем месте, например за кулисами эстрадного театра, располагается аппаратура с антенной для приема радиосигналов от исполнителя. После соответствующего усиления принятый сигнал подается на усилитель мощности для звукофикации зала, на вход магнитофона для записи или в тракт формирования программ вещательного канала для непосредствен- 90
Рис. 3.15. Внешний вид электретного микрофона ной передачи. Естественно, что при передаче художественных про- грамм к такой системе предъявляются повышенные требования. Основным недостатком радиомикрофонов является небольшой ди- намический диапазон, что ухудшает качество передаваемых худо- жественных программ. Поэтому широкое распространение радио- микрофоны получили в основном в комплексах радиообслужива- ния. 3.3. ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ 3.3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Согласно принятому определению, под громкоговорителями понимаются пассивные электроакустические преобразователи, предназначенные для излучения звука в окружающее пространст- во. По способам излучения громкоговорители подразделяются на диффузорные — непосредственного излучения колеблющейся диа- фрагмой с гибкой подвеской и на рупорные — излучения с по- мощью жесткого рупора. Конструктивно каждый из громкогово- рителей представляет собой совокупность двух независимых уз- лов— головки и акустического оформления, согласованных по акустическим свойствам. Головка громкоговорителя — это собст- венно преобразователь сигналов звуковой частоты из электриче- ской формы в акустическую — содержит все необходимые для этого конструктивные элементы, определяемые способом электро- акустического преобразования. Акустическое оформление являет- ся элементом громкоговорителя, не участвующим в процессе ука- занного преобразования; оно лишь обеспечивает эффективное из- 91
лучение звука в пространстве с помощью различного вида акусти- ческих экранов, ящиков, рупоров в разных вариантах построения. Основой для конструирования диффузорных громкоговорителей являются серийно выпускаемые специализированными предприяти- ями головки с различными электрическими и конструктивными па- раметрами, а сам громкоговоритель в зависимости от задаваемого класса качества комплектуется одной или несколькими головка- ми, в сумме дополняющими друг друга по акустическим свойст- вам. При разработке громкоговорителей часто налагается условие совмещения его с другим устройством: радиоприемником, магни- тофоном, телевизором, абонентским устройством проводного веща- ния и пр. В этих случаях головки располагают в общих корпусах и громкоговорители называют встроенными. Если же громкого- ворители создаются в отдельных корпусах как независимые уст- ройства, то их называют выносными. К ним принадлежат, напри- мер, звуковые колонки для стереофонического воспроизведения, бытовые электроакустические системы повышенного качества зву- чания и пр. Свойства громкоговорителей и отдельно их головок (без аку- стического оформления) принято оценивать многими параметра- ми и характеристиками, оговоренными ГОСТ 16122—78 и др. Из многочисленного перечня выделим лишь основные. Характеристика направленности — зависимость звукового дав- ления, развиваемого громкоговорителем (и головкой) на частоте F или в полосе ДЕ частот со средней частотой Fcp в точке сво- бодного поля, находящейся на определенном расстоянии от рабо- чего центра, от угла между рабочей осью громкоговорителя (го- ловки) и направлением на указанную точку. Частотная характеристика звукового давления (или просто ча- стотная характеристика)—зависимость от частоты звукового дав- 92
ления, развиваемого громкоговорителем в точке свободного поля, находящейся на определенном расстоянии от рабочего центра излучателя, при постоянном напряжении на зажимах громкогово- рителя. Номинальная мощность — максимальная мощность электриче- ского сигнала, подводимого к громкоговорителю, ограничиваемая нелинейными искажениями, устанавливаемыми для данного гром- коговорителя, при которой обеспечиваются его механическая и тепловая прочность. Акустическая мощность — усредненная (во времени) мощность излучаемого громкоговорителем сигнала на частоте F (или в по- лосе частот со средней частотой Fcp). Характеристическая чувствительность — отношение среднего звукового давления, создаваемого громкоговорителем в номиналь- ном диапазоне частот на расстоянии 1 м от рабочего центра на ра- бочей оси, к корню квадратному от подводимой мощности. Основными опорными геометрическими параметрами громкого- ворителей являются: геометрический центр — точка, от которой ведется отсчет расстояний от громкоговорителя; рабочая ось — прямая, проходящая через центр громкоговорителя в направле- нии преимущественного использования или же перпендикулярная плоскости излучающего отверстия. 3 3 2 ДИФФУЗОРНЫЕ ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ Устройство громкоговорителей существенно зависит от вида главного элемента — головки, содержащей тот или иной электро- акустический преобразователь. В настоящее время в качестве ос- новы для построения громкоговорителей используют преимущест- венно электродинамические преобразователи. Соответственно и громкоговорители, укомплектованные головками с электродинами- ческими преобразователями, называются электродинамическими (сокращенно динамическими). В ряде случаев в диффузорных громкоговорителях применяют и другие нетрадиционные преобра- зователи, о чем будет указано далее. Электродинамическая головка диффузорного громкоговорите- ля (рис. 3.17) состоит из магнитной системы в виде кольцеобраз- ного постоянного магнита 1, обладающего большой коэрцитивной силой, круглого стального керна 2, проточенного в верхней части, нижнего 3 и верхнего 4 стальных фланцев. Верхний фланец имеет в центре отверстие, несколько большее диаметра керна, так что между фланцем и керном в верхней части образован воздушный зазор 5. В нем сконцентрировано радиальное постоянное магнит- ное поле. В зазоре располагается цилиндрическая катушка индук- тивности 6 с небольшим числом витков, намотанная на каркасе, который скреплен с центрирующей гибкой шайбой 7 пылезащит- ным колпачком 8 и диффузором 9. Диффузор изготавливается из 93
бумажной массы, обеспечивающей ему достаточную жесткость при малой массе. Обычно ему придают форму усеченного конуса, иногда с изогнутым (выпуклым) профилем. Диффузор по окруж- ности крепится через гибкий «воротник» 10 к кольцу И держа- теля 12. Подвижная система таким образом имеет лишь одну степень свободы движения — вдоль рабочей оси. От начала и конца катушки делаются гибкие выводы, соединяемые с выходом усилителя электрического сигнала. Вследствие взаимодействия магнитной индукции В в зазоре магнитной цепи с током сигнала 1, протекающего через катушку, возникает сила F=Bll, которая вызовет колебательное движение подвижной системы в направлении рабочей оси. Здесь BI—F/I— —Ксв — коэффициент электромеханической связи электродинами- ческого преобразователя, I — длина провода звуковой катушки. Диффузор в таком громкоговорителе является одновременно и элементом колебательной механической системы, и излучателем звуковых колебаний в пространство. Колебания диффузора пере- даются частицам среды, прилегающим к поверхности диффузора, те в свою очередь воздействуют на смежные с ними частицы, и так в виде сжатий и разряжений образующиеся акустические вол- ны распространяются от излучаемых участков поверхности пре- имущественно в нормальных к ним направлениях (частично воз- действуя и на боковые частицы среды). Энергия колебательного процесса подвижной системы расходуется частично на преодоле- ние механического сопротивления — трения воздуха в магнитном зазоре, ведущего к нагреву катушки, а частично на преодоление сопротивления колебаниям со стороны среды. Входное сопротивление колебательной системы головки гром- коговорителя можно представить в виде собственно электрическо- го сопротивления катушки и сопротивления, вносимого элементами механической колебательной цепи, в данном случае включен- ными последовательно. На основании метода электромеханиче- ских аналогий они представляются в виде параллельного вклю- чения соответствующих электрических элементов, приведенных к входной цепи через коэффициент электромеханической связи. Та- ким образом, полное сопротивление головки громкоговорителя 2вх=2Эл+7вн, где /эл=/?к+)<аЛк, a ZBU=B2l2/ZM, причем ZM= =7мо+7изл. Здесь ZMo=/?M+j(omo+l/(jcoCM) — собственное меха- ническое сопротивление подвижной системы, а ZI^=#^+jcomK— сопротивление излучения, где т0 — масса подвижной системы; См — гибкость; tnR — соколеблющаяся масса воздуха; /?м— сопро- тивление трения, возникающее при изгибе гофрированного ворот- ника и центрирующей шайбы, RK и LK — сопротивление и индук- тивность звуковой катушки. Излучаемая акустическая мощность Р = — «2 R - * а 2 т изл 2 | ZM || ZBX | а ^ИЗ.Т 94
где vm — амплитуда колебательной скорости излучающей поверх- ности; Um — амплитуда подводимого напряжения. Комплексное сопротивление излучения состоит из двух компо- нент 7изл=^изл+]’Хизл. Из них действительное излучение в прост- ранство образуется посредством отдачи энергии активной состав- ляющей 7?из.т Излучаемые колебания распространяются в виде плоской волны в направлении рабочей оси. Компонента |Лизл вы- звана наличием расходящихся волн, для которых характерно убы- вание амплитуды колебательной скорости с расстоянием. Тут в процессе упругого соударения частиц возникают реактивные силы отталкивания частиц в направлении, обратном распространению (как движущийся шар, ударяющий шар большей массы, приводит его в движение, а сам приобретает реактивную силу). При этом вблизи диффузора возникает определенный запас энергии, выра- жающийся в инерционном «соколебании» дополнительной массы среды в смежных с поверхностью диффузора объемах. Чтобы частотная характеристика громкоговорителя в пределах звукового диапазона была горизонтальной, требуется чтобы его сопротивление излучения /?Изл и входное сопротивление ZBX бы- ли бы частотно-независимыми. Но реальная форма диффузоров сложна бывает различной по своим параметрам; особенности ко- лебательного процесса связаны с материалом диффузора, гиб- костью его подвески. Поэтому точное и даже приближенное вы- числение комплексного сопротивления 7Изл и соотношения его компонент /?изл и ]Х„3л представляет трудности. Для идеализиро- ванного рассмотрения их зависимости от размеров излучателя и частотной зависимости прибегают к аналогии между излучатель- ными свойствами диффузора и поршневого излучателя, что явля- ется справедливым для области низких частот. Теоретически диффузор рассматривается как круглый поршень, колеблющийся либо в открытом пространстве (рис. 3.18,а), либо в отверстии плоского бесконечного акустического экрана (рис. 3.18,6), в корпусе с открытой (рис. 3.18,в) или с закрытой (рис. 3.18,г) задней стороной. Для оценки соотношений между актив- ным сопротивлением излучения /?ИЗл и реактивной компонентой j-Хизл в [3J вычислены безразмерные коэффициенты соответствен- но Д1И31 и /<2изл в зависимости от относительного размера голов- ки, в том числе с учетом их работы в открытом пространстве при использовании некоторых видов акустического оформления (рис. 3.19). В области низких частот активная составляющая из- лучения ничтожно мала. Подводимая к катушке головки электри- ческая мощность затрачивается на нагрев катушки и частично на создание бесполезных колебаний воздушной среды перед диффу- зором. При возрастании волнового размера диффузора активная составляющая излучения будет расти, однако медленнее всего при работе головки в открытом пространстве (/ на рис. 3.19). Причиной этого является то, что между излучением звуковых волн 95
6) 5) Рис. 3.18. Варианты аку- стического оформления головки громкоговори- теля передней стороной диффузора и оборотной (задней) возникают интерференционные явления и при огибании головки с противо- положными фазами они взаимно уничтожаются. При повышении частоты Л1изл, а следовательно, и отдача излучения будет быстро нарастать, достигая максимума в области лП/Х^2. Во втором случае, когда диффузор головки совершает колеба- ния в отверстии акустического экрана (рис. 3.18,6), интерферен- ционных встречных волн не будет. Эффективность излучения на- чинает возрастать с более низких частот и более круто, чем в предыдущем случае (2 на рис. 3.19). Головки с акустическим оформлением по типу бесконечного экрана применяют при озвучении помещений, где их монтируют изнутри декоративных настенных покрытий. Если же экран име- ет конечные размеры и его площадь не намного превышает пло- щать самого диффузора, то зависимость 3 расположится между зависимостями 1 и 2. Это характерно для громкоговорителя в ви- де головки, помещенной в открытом ящике (рис. 3.18), который можно рассматривать как сложенный экран. Реактивная составляющая /С2изл для описанных случаев не- сколько изменяет свою форму и расположение для каждого из рассмотренных случаев, но в основном ее характер сохраняется (4 на рис. 3.10). Эта зависимость показывает, что в области сред- них частот при реальных размерах диффузоров громкоговорите- лей становится максимальной доля мощности излучения, затра- чиваемая на образование «соколеблющейся» массы воздушной среды перед поверхностью диффузора. С повышением частоты она быстро уменьшается, а /С1ИЗл принимает относительно постоянное максимальное значение. Рассмотренные особенности излучения позволяют подойти к анализу частотных характеристик и характеристик направленно- сти громкоговорителей. Неблагоприятные условия излучения звука диффузорными громкоговорителями в области низких частот звукового диапазо- 96
Рис. 3.19. Характеристики излучения громкоговорителей Рис. 3.20. Резонансная кривая на низ- ких частотах звукового диапазона на стараются компенсировать путем настройки в резонанс в этой области подвижных элементов головок. Резонансную частоту (00=1/уСмпг стараются выбрать, особенно для низкочастотных го- ловок, предельно низкой за счет создания возможной гибкой под- вески диффузора при ограниченной массе подвижной части, вно- сящей элемент инерционности. Большое значение имеет и форма резонансной кривой. Ее левая ветвь определяет граничное значе- ние и крутизну спада частотной характеристики в области ниж- них частот. Правой ветви стараются придать такую форму, чтобы в совокупности с частотными зависимостями 7?Изл, Z.,., ZBX (рис. 3.20) можно было получить горизонтальную форму частотной ха- рактеристики громкоговорителя по звуковому давлению. Для расчета такая задача весьма сложна. Практически ее ста- раются решить в комплексе с резонансными явлениями элемен- тов акустического оформления. В частности, промышленностью создаются специальные «компрессионные» головки с очень гиб- кой подвеской. Они рассчитаны на работу совместно с акустиче- ским оформлением типа закрытого ящика, внутренний объем ко- торого используется как элемент гибкости; при надлежащем его размере можно получить хорошее приближение к требуемой ре- зультирующей частотной характеристике громкоговорителя. В средней части звукового диапазона частотные характеристи- ки громкоговорителей имеют относительно ровную форму, излу- чение достаточно сильное, существенно возрастает роль индуктив- ного сопротивления катушки головки. Однако начиная от 1,5 кГц проявляются поверхностные колебания диффузора. При этих и более высоких частотах становится недостаточной жесткость ма- териала диффузоров, в радиальных направлениях возникают пря- мые и обратные волны, создающие фазовые сдвиги при излуче- нии. В результате появляются неровности в частотных характери- стиках, уменьшается эффективная площадь диффузоров. Естест- венно, что для высокочастотной части диапазона колебательные 7—6697 97
Рис 3 22 Характеристики направ- ленности громкоговорителей при лРД, равном 0,25 (/), 2,5 (2), 5 (3) Рис. 3 21 Внешний вид головки громкоговорителя процессы громкоговорителя более сложны и их аналогии с колеба- ниями упругого поршня не будут строгими. Одним из методов улучшения однородности излучения аку- стических волн в области верхних частот является укрепление в центре диффузора дополнительного коаксиального усеченного ко- нуса из жесткого картона (рис. 3.21). На низких и средних часто- тах звукового диапазона оба конуса колеблются как одно целое, при этом в области средних частот внутренний конус действует как рассеивающее тело. На верхних частотах эффективно работа- ет внутренний легкий жесткий конус, а основная часть большого конуса колеблется с малыми амплитудами. Кроме того, конус способствует рассеянию локальных колебаний, возникающих на высоких частотах на различных участках диффузора из-за труд- ностей получения в этом диапазоне его достаточной жесткости. Другой возможностью получения хороших частотных харак- теристик является комплектация громкоговорителей несколькими головками, предназначенными для звуковоспроизведения опреде- ленных частотных зон всего диапазона. Сравнивая диффузорный громкоговоритель с его аналогом — поршневым излучателем, можно судить и о характеристиках на- правленности. Громкоговоритель одностороннего действия (голов- ка с экраном и головка в закрытом ящике) на низких частотах будет обладать ненаправленной характеристикой. Волны, излу- 98
чаемые вдоль оси громкоговорителя, склады- ваются в одинаковой фазе и взаимно усили- ваются. Волны, излучаемые под некоторыми углами 0 к рабочей оси, складываются с уче- том различных фаз, так как они излучаются с разных участков поверхности диффузора и проходят пути, отличающие на разность хо- да крайних точек. Однако в области низких частот разность фаз получается очень малой и ею можно пренебречь. Характеристика направленности в этом случае представляет собой полуокружность (/ на рис. 3 22). На более высоких частотах, когда фазовый сдвиг становится сравнимым с периодом колебаний, характеристика Рис. 3 23 Схема аку- стического фазоинвер- тора направленности вытягивается в направ- лении рабочей оси громкоговорителя. Направленность растет в соответствии с увеличением коэффициента активного сопротивле- ния ZiH3i излучения. При сопряжении головки громкоговорителя с экраном, обладающим ограниченным размером, или же голов- ки, излучающей акустические волны без экрана, приходится учи- тывать интерференционные явления лицевой и оборотной сторон. В области высоких частот характеристика направленности приобретает вид кардиоиды с дополнительными боковыми лепе- стками, образующимися из-за взаимной интерференции между волнами, излучаемыми с большими фазовыми сдвигами разными точками поверхности диффузора. Для снижения интерференцион- ных явлений и повышения эффективности использования энергии, излучаемой оборотной стороной диффузора, особенно в области нижних частот, иногда используют акустическое оформление в виде фазоинвертора — закрытого ящика с дополнительным отвер- стием на лицевой панели; к нему примыкает выходня часть аку- стического лабиринта, например трубы, как на рис. 3.23. Энергия звуковых колебаний, концентрирующаяся во внутреннем объеме ящика, через акустический лабиринт передается в сторону пря- мого излучения, и при надлежащей его длине фаза звуковых ко- лебаний изменяется на обратную. Таким образом достигается возможность синфазного сложения прямого и обратного излуче- ний между собой. Главным недостатком диффузорных громкоговорителей явля- ется низкий коэффициент полезного действия — около 3. ..5%. Это объясняется недостаточной согласованностью между собой механического сопротивления подвижной системы и акустической нагрузки среды, а также недостаточно высокой эффективностью электродинамического преобразования. Значительными могут быть и нелинейные искажения, обуслов- ленные несовершенством систем подвески диффузора и неодно- 7* 99
родностью индукции в магнитном зазоре катушки. При колеба- тельных смещениях катушки, достигающих в области низких ча- стот нескольких миллиметров, возникает неоднородность воздей- ствия краевого эффекта магнитного поля в зазоре на катушку, совершающую там колебания. Для снижения этого эффекта стре- мятся делать катушку короче высоты зазора, чтобы при движе- нии она не попадала в зону краевого поля, или, наоборот, намно- го длиннее, чтобы при ее движении охватывалась лишь часть вит- ков с усредненным магнитным потоком. В зависимости от требований, предъявляемых к громкоговори- телям различного назначения, с помощью справочника можно вы- брать наиболее подходящую электродинамическую головку [3] из большого ассортимента, выпускаемого промышленностью. 3.3.3. АКУСТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ТЕЛЕФОНЫ Акустические системы (АС) представляют собой совокупность специально подобранных по частотным и другим свойствам элек- тродинамических головок громкоговорителей диффузорного типа, заключенных в общий корпус с определенными акустическими параметрами. Каждая из головок охватывает определенную зону звукового диапазона; напряжение питания подается на головки (или их группы) через разделительные электрические фильтры, установленные в корпусе АС. Чаще всего весь диапазон подразделяется на низко-, средне- и высокочастотный поддиапазоны. Соответственно для воспроиз- ведения сигналов подбираются низко-, средне- и высокочастотная головки. Низкочастотная головка по сравнению с другими долж- на быть более мощной, поскольку чувствительность слухового ап- парата в этой области понижена. К числу низкочастотных головок, охватывающих частоты начиная от 30 Гц (до 1 кГц), принадле- жит, например, головка типа ЗОГД-1 с номинальной мощностью 30 Вт и внешним диаметром 250 мм. Для воспроизведения средних частот используются более ши-, рокодиапазонные головки, например 15ГД-11 с диапазоном воспро- изводимых частот 250.. .5000 Гц и номинальной мощностью 15 Вт или менее мощные, а в качестве высокочастотной головки — спе- циальные типы, с меньшим охватом высокочастотного поддиапа- зона. При комплектации акустических систем узкодиапазонными спе- циализированными головками требуется согласование между по- лосой частот, которую они охватывают, и полосой частот электри- ческих сигналов, которые следует подавать на каждую головку системы. В противном случае, если на вход каждой головки будет поступать более широкополосный сигнал, возможно появление су- щественных искажений. Для такого согласования применяют элек- 100
Рис. 3.25. Устройство головного элек- тродинамического телефона Рис. 3.24. Внешний вид акустической системы 35АС трические пассивные фильтры, располагаемые обычно в одном корпусе с головками. Здесь же размещают регуляторы тембраль- ной окраски звучания. Для обеспечения малых нелинейных искажений номинальную мощность всех громкоговорителей выбирают с большим запасом, чтобы в реальной обстановке средняя мощность излучения была меньше указанной, а ее запас использовался при всплесках сиг- налов на уровне их максимальных значений. В качестве примера акустической системы, удовлетворяющей всем требованиям, предъявляемым к системам здвуковоспроизве- дения «высокой верности» (Hi-Fi), приведем один из широко распространенных типов (рис. 3.24), предназначенный для высо- кокачественного воспроизведения звуковых программ в бытовых комплексах радиоаппаратуры. Номинальная мощность системы 35 Вт, входное электрическое сопротивление 4 Ом, рабочий диа- пазон частот 31,5 ... 20 000 Гц. Корпус акустической системы имеет значительные размеры, продиктованные акустическими со- ображениями. Наружные размеры его 710X360X285 мм при мас- се 30 кг. Корпус ящика выполнен из дерева, изнутри покрытого звукопоглощающим материалом. Средне- и высокочастотная го- ловки находятся в замкнутом отсеке, заполненном звукопоглоща- ющим материалом для исключения акустического взаимодейст- 101
вия с основным закрытым объемом, в котором расположена тру- ба фазоинвертора, настроенного на резонансную частоту (30 Гц). Частотная характеристика звукового давления относительно рав- номерна. Для изменения тембральной окраски предусмотрены регуляторы уровней высоко- и среднечастотной компонент зву- чания. Наряду с системами бытового назначения создаются системы и для профес- сиональных целей звукового контроля музыкальных и речевых программ в аппа- ратных радиодомов и телецентров. Их удобно выполнять в виде агрегатов, со- держащих, кроме акустической системы, высококачественный усилитель с мощ- ным выходом и источником питания. Один из подобных агрегатов (АКМ-2) охва- тывает частотный диапазон 40 ... 18 000 Гц при неравномерности частотной ха- рактеристики 12 дБ и допустимом уровне нелинейных искажений (коэффициенте гармоник) Kr^2%. Кроме перечисленных систем, обеспечивающих высококачественное воспроиз- ведение в сфере радиовещания и бытового использования, получили признание широкополосные головные электродинамические телефоны. Головные телефоны, являющиеся в первых радиоприемниках единственным средством прослушивания программ звукового вещания, прошли путь серьезного усовершенствования. Применявшийся ранее принцип электромагнитного преобра- зования электрических сигналов в акустические колебания уступил место элек- тродинамическому. Выгодно отличаясь от своего прототипа — электромагнитных телефонов — по всем параметрам, они представляют совершенное средство инди- видуального прослушивания профессионального и любительского назначения. В настоящее время наушное устройство каждой пары головных телефонов пред- ставляет собой миниатюрный электродинамический диффузорный громкоговори- тель, заключенный в закрытый (иногда с отверстиями) корпус, прилегающий че- рез гибкую прокладку к уху (рис. 3.25). В такой конструкции хорошо выявляются положительные свойства, прису- щие диффузорным электродинамическим головкам. Диапазон частот, охватывае- мый типовыми головными телефонами, достигает 20 ... 20 000 Гц при малых отклонениях от горизонтальной линии частотной характеристики. При неболь- шой мощности головные телефоны обеспечивают достаточное звуковое давление для создания у слушателя ощущения высокой громкости п очень широкого ди- намического диапазона без нелинейных искажений. Головные телефоны (электродинамические) не заменимы при раздельной записи фрагментов вещательных программ методом последовательного наложе- ния, например в виде предварительной записи аккомпанемента, который может прослушиваться солистом с помощью головных телефонов во время исполнения своей партии. Для этого можно использовать, в частности, и стереофонические телефоны серии ТДС, создающие при номинальной мощности порядка 1 мВт зву- ковое давление р=1 Па при нелинейных искажениях не свыше 1%. Промышленностью выпускается и малогабаритный стереофонический вари- ант динамических телефонов ТДС-14 с диаметром головки всего 30 мм для пор- тативных стереомагнитофонов и др. 3.3.4. ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ РАДИООБСЛУЖИВАНИЯ Наряду с описанными акустическими системами комфортного воспроизведе- ния существуют и специальные громкоговорители, предназначенные для звуко- фикации помещений и открытых пространств. Естественно, что в зависимости от требований к качеству воспроизведения, от акустических параметров озвучивае- мых пространств могут применяться всевозможные громкоговорители, в том чис- ле и рассмотренные. Но из специальных громкоговорителей, предназначенных для этих целей, следует рассмотреть так называемые звуковые колонки, рупор- ные громкоговорители и радиальные акустические системы — акустические люст- 102
7 Ч) Рис. 3.26. Головка рупорного громкоговорителя (а) и рупор (б) ры. Первые из них предназначены в основном для озвучения закрытых помеще- ний, другие и для открытых пространств. Все они строятся на базе электродина- мических головок, но отличаются акустическим оформлением. Звуковые колонки (КЗ) напоминают акустические системы бытовых ком- плексов тем, что объединяют в одном корпусе несколько (три—шесть) головок громкоговорителей, подразделяются на речевые и музыкальные. В обоих случаях их комплектуют одинаковыми головками, однако для речевых передач с более узкой полосой воспроизводимых частот, чем для музыкальных программ, напри- мер, колонка 15-КЗ, предназначенная для воспроизведения речевых сигналов в помещениях, укомплектована четырьмя головками 4ГД-8Е с ДР=125 ... ...7100 Гц, а колонка 25КЗ-12 — музыкальная содержит три головки 10ГД-36с ДГ=63 ... 16 000 Гц. Внешнее оформление колонки принято согласовывать с интерьером помещений. При объединении головок в общий корпус с их линейным расположением по вертикали как бы увеличивается размер излучателя. Это способствует уве- личению угла охвата по горизонтали в озвучиваемом помещении. Рупорные громкоговорители обладают резко выраженными направленными свойствами благодаря повышению осевой концентрации излучаемых звуковых волн Головка по конструкции (рис. 3.26,а) существенно отличается от головки диффузорного громкоговорителя, хотя по принципу действия аналогична ей. Ка- тушка 1, совершающая колебания в зазоре 2 магнитной системы 3, скреплена с упругой диафрагмой 4 из тонкого металла и представляет собой подвижную часть массой т. Диафрагма соединена с корпусом гибкой подвеской и может рассматриваться как поршень, колеблющийся в возду шной среде подобно диффу- зору. Перед диафрагмой располагается рассеиватель энергии 6 и узкое входное отверстие рупора 7, в которое направляются излучаемые диафрагмой звуковые волны. Объем между входным отверстием и диафрагмой образует предрупор- ную камеру — воздушный объем гибкостью См, в котором концентрируется по- вышенное звуковое давление. Поскольку площадь диафрагмы выбирается боль- шей сечения отверстия, то предрупорную камеру можно рассматривать и как механический аналог трансформатора. Рупорные громкоговорители делают и широкогорлыми, без предрупорной ка- меры. Тогда размеры диффузорной диафрагмы увеличиваются. Рупор связывает механическую колебательную систему с внешней средой, обеспечивая нужную осевую концентрацию звуковой энергии, а также согласование нагрузки выход- ного сопротивления внешней среды в плоскости Sj с входным сопротивлением, приведенным к входному отверстию So (рис. 3.26,6). Наиболее распространены рупоры, площадь сечения которых изменяется в направлении рабочей оси по 103
Рис. 3.27. Громкоговоритель со сложенным рупором экспоненциальному закону: S=S0 exp (6х), где So — площадь входного отверстия; 6 — показатель расширения рупора; х — расстояние от входного отверстия в на- правлении оси симметрии. Для эффективного излучения звуковых волн с помощью рупора требуются определенные соотношения размеров. Несогласованность волнового сопротивления рупора как звукопровода с сопротивлением среды приводит к отражению звуко- вых волн от выходного отверстия в обратном направлении за счет снижения из- лучения в пространство. Со снижением частоты воспроизводимого сигнала это явление усиливается, и при определенных длине рупора и размерах выходного отверстия возникает предельная (критическая) частота, ниже которой рупор отдавать энергию в пространство не будет. В этом случае активная составляю- щая излучения рупора снизится до нуля п звуковая энергия низкочастотных ко- лебаний вместо того, чтобы излучаться в пространство, будет в виде свободных колебаний направляться к входному отверстию. Попытка уменьшить внешние габариты рупора при сохранении предельно низкой частоты воспроизведения привела к конструкции громкоговорителя со «сложенным» рупором (рис. 3 27). Для этого внутри вмонтирован встречный от- ражающий звук усеченный конус сложной конфигурации, так что звуковая вол- на, покинув входное отверстие рупора, проходит дополнительный путь через свое- образный отражающий звуковые волны коаксиальный лабиринт. Промежуточное положение между акустическими колонками и рупорными громкоговорителями занимают радиальные громкоговорители, называемые также звуковыми люстрами, что соответствует их конструкции. На каркасе в виде усе- ченного конуса (рис 3 28) укрепляется несколько (обычно пять) динамических диффузорных громкоговорителей так, чтобы диффузоры были обращены вниз под некоторым углом к металлическому обтекателю, который придает такой системе определенную направленность, необходимую для создания на озвучаемой поверх- ности равномерного распределения звуковой энергии. Звуковые люстры разме- щают обычно на высоких столбах. 3.3.5. НЕТРАДИЦИОННЫЕ ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ Среди нетрадиционных громкоговорителей необходимо выделить так назы- ваемые пзодинамические излучатели (рис. 3 29). В качестве излучающего элемен- та здесь использована тонкая диэлектрическая мембрана 1, на нее методом на- пыления нанесен проводник 2 в форме прямоугольной плоской спирали. Мембра- 104
Рис. 3 29. Схемы изодинамическо- го (а) и электростатического (б) громкоговорителей на расположена в зазоре между системой параллельных магнитов 3. Такие излу- чатели применяются в АС высшей группы сложности. Например, отечественный изодинамический громкоговоритель типа 10ГИ-1 имеет параметры- диапазон вос- производимых частот 2,0 ... 30 кГц, чувствительность 87 дБ, номинальная мощ- ность 10 Вт, габаритные размеры 105X120X35 мм Все чаще начинают применять громкоговорители нединамических типов: электростатические, пьезопленочные, пьезокерамические, плазменные и т. д. Среди этого класса излучателей наиболее распространены электростатические, принцип дейтвия которых поясняет рис. 3.29,6. Излучающим элементом в них является мембрана 1 — тонкая металлизированная лавсановая пленки толщиной 8 ... 10 мкм, помещенная между двумя перфорированными электродами 2. Они вы- полнены из диэлектрика, на который методом напыления нанесен металлический слой. Между мембраной и электродами приложено высокое поляризующее напряжение 4 Напряжение звуковой частоты подается через повышающий трансформатор 3. Примером такого громкоговорителя является система АСЭ-2 с параметрами: диапазон воспроизводимых частот 45 ... 30 000 Гц, номинальное среднее звуковое давление 1,2 Па, номинальное входное напряжение 8 В. Каче- ство звучания очень высокое, оно отличается чистотой и прозрачностью. Нашли применение акустические системы, в которых для воспроизведения низких частот используются электродинамические головки, а для средних и вы- соких частот — раздельные электростатические блоки В подобном сочетании они получили название диностатических систем, например 35АСДС. Роль высокоча- стотных головок могут выполнять и пьезоэлектрические излучатели. Все же следует добавить, что в массовых моделях АС нетрадиционные из- лучатели редко применяются, пока они входят в состав высококачественных АС категории Hi-Fi. Контрольные вопросы 1. В чем польза метода электромеханических аналогий при рассмотрении электроакустических преобразователей? 2. Какова роль взаимосвязи параметров механических и электрических коле- бательных цепей электроакустических преобразователей во взаимной коррекции па< раметров, формы характеристик? 3 Каково основание для сопоставления механической колебательной систе- мы, элементы которой соединены параллельно — в «узел» с последовательным электрическим контуром? 105
4. Какую форму и размеры следует прилагать вещательным микрофонам? 5. По каким внешним признакам можно отличить микрофон — приемник зву- кового давления от микрофонов — приемников градиентов звукового давления? 6. Каковы достоинства и недостатки электродинамических катушечных ми- крофонов? 7, По какой причине рекомендуется предварительно усиливать сигнал кон- денсаторного микрофона непосредственно в его корпусе? 8. В чем заключается принцип устройства радиомикрофона? 9. Каковы требования к частоте резонанса подвижной системы головки диф- фузорного громкоговорителя в области низких частот? 10. В чем причина низкого КПД диффузорных головок громкоговорителей? 11. Какие нежелательные явления вызывает перегрузка громкоговорителей по мощности? 12. Чем объясняются трудности получения горизонтальной АЧХ громкогово- рителей в области низких и высоких частот звукового диапазона? 13. Каковы достоинства и недостатки рупорных громкоговорителей, их на- значение? Глава 4. АКУСТИКА СТУДИЙ ЗВУКОВОГО И ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ 4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ОБЪЕМ И ФОРМА СТУДИЙ Важнейшей составной частью аппаратно-студийного блока (АСБ) является студия — помещение, специально предназначенное для исполнения речевых и музыкальных фрагментов вещательных программ. Студия — это головное звено системы звукового и теле- визионного вещания. Студии для исполнения вещательных прог- рамм разных жанров должны обладать неодинаковыми акусти- ческими свойствами. Только в этом случае может быть достигну- то максимально возможное с точки зрения слухового восприятия качество звучания, разумеется, при неизменной структуре самой звуковой системы. Основные типы радиовещательных и телевизионных студий приведены в табл. 4.1. Формы крупных радиовещательных и телевизионных музы- кальных студий столь же разнообразны, как и формы больших концертных залов, выбираются из архитектурно-строительных соображений, удобства размещения оркестрантов на сцене (иг- ровой площадке). Эти студии имеют, как правило, места для слушателей. Студии средних и малых размеров чаще всего имеют форму параллелепипеда, стороны которого — длина /, ширина Ь, высота h — находятся в соотношении так называемого «золотого сечения» l/b=b/h при l=b-}-h (4.1) 106
Таблица 4.1 Наименование студии (помещения) Назначение Оптимальное число испол- нителей Оптималь- ный объем, м3 Площадь пола» м1 Большая музыкаль- ная Музыкальные передачи круп- ных форм (классическая му- зыка в исполнении больших симфонических оркестров, хо- ровое пение и т. п.) 250 12 000 1000 Средняя музыкаль- ная Для симфонической музыки в исполнении средних по чис- лу исполнителей оркестров 45 4000 400 Для эстрадной и джазовой музыки 35 4000 400 Малая музыкальная (камерная) Для исполнения камерной му- зыки, для солистов-вокали- стов, музыкальных передач малых форм 10 900 150 Литературно-драма- тическая Для передачи радиоспектак- лей, художественного чтения и т. п. 10 500 100 Заглушенная Для специальных эффектов при литературно-драматиче- ских записях — 200 50 Речевая Передача информационного текста 1...2 100 25. .35 Аппаратные Перезапись фонограмм, за- пись фрагментов программ для консервации 1. ..2 90...140 25. .40 Комната «Эхо» Для создания эффектов ис- кусственной реверберации, из- менения объемности, гулко- сти и тембральной окраски звучания 200 50 Комната прослуши- вания Проведение экспертиз — 130 35 Большая телевизи- онная Музыкальные, драматические передачи крупных форм с большим числом сценических площадок н сложным оформ- лением 7500 600 Средняя телевизи- онная Музыкальные, драматические передачи средних форм с ря- дом игровых площадок, раз- нообразными декорациями 2500 300 Малая телевизион- ная Музыкальные, драматические передачи малых форм с ма- лым числом (1—2) сцениче- ских площадок с несложным декорационным оборудовани- ем; передачи общественно-по- литические, научно-познава- 900 150 107
Продолжение таб/i. 4.1 Наименование студии (помещения) Назначение Оптималь- ный объем» м3 Площадь пола» м* Дикторская про- граммная Дикторская кабина телекомментатора тельные, литературные, демон- страция экспонатов, моделей и т. п. Показ дикторов или выступа- 1...2 300 ющих (средний и крупный планы) Информационные передачи 1...2 30...45 (без показа диктора) 60...80 12...15 Учитывая, что объем студии V=lbh, получаем: /г = 0,62/У; Ь = уУ; /=1,62^. (4.2) Наиболее важен правильный выбор высоты студии h. Зависи- мость /i=0,62yzV хорошо совпадает с данными нормативных документов, которые составлены на основании длительной экс- плуатации студий. В больших музыкальных студиях допускается уменьшать высоту h на 10 ... 20% по сравнению с размером, по- лучаемым из (4.2). Даже в самых крупных студиях (V> 10 000 м3) высота не должна превышать 14 м. Размещаемые над оркестром звукорассеивающие конструкции следует подвешивать на высоте 6 ... 8 м. В студиях небольшого объема выражение (4.2) приво- дит к недопустимо малой высоте, которая в любом случае не должна быть менее 3 м. Объем студии V находится в прямой зависимости от макси- мального числа исполнителей. Удельный объем, приходящийся на одного оркестранта, должен быть не менее 10...18 м3, а на одного слушателя — не менее 10 м3. Площадь пола студии, приходящаяся на одного исполнителя, должна быть не менее 1,8... 3 м2. Скученное расположение оркестра дезориентирует музыкантов, затрудняя исполнение и повышая психологическую нагрузку, что приводит к быстрой их утомляемости, к потере контроля над ка- чеством исполнения. В малых помещениях (V<_ 150 м3, дикторские речевые студии, комнаты прослушивания, аппаратные) площадь пола должна быть не менее 25 м2. При этом спектр собственных частот малых поме- щений должен быть по возможности равномерным. 108
Кроме микрофонов, в студии находятся реквизит для исполни- телей, крупногабаритные музыкальные инструменты (например, рояль), стационарные музыкальные инструменты (орган), табло с надписью «Микрофон включен», устройство для телевизионной и громкоговорящей связи с аппаратной. В телевизионных студиях дополнительно оборудуют сценические площадки с декорациями, здесь же расположены передающие телевизионные камеры и ос- ветительная аппаратура. 4.2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКОВЫХ ВОЛН В ПОМЕЩЕНИИ 4.2.1. ВОЛНОВОЙ И СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ АНАЛИЗА СТРУКТУРЫ ЗВУКОВОГО ПОЛЯ В ПОМЕЩЕНИИ Студия представляет собой замкнутый воздушный объем. Яв- ляясь колебательной системой с распределенными параметрами, он существенно влияет на временную структуру сигнала источни- ка звука, ощутимо изменяя окраску звучания. Известно, что речь звучит различно в большом пустом помещении и в жилой комнате. Звучание оркестра на открытом воздухе гораздо беднее в темб- ральном отношении, чем в помещении с хорошими акустическими свойствами. Воздух, заполняющий помещение, имеет определенную упру- гость и массу, оказывает сопротивление распространяющейся в нем звуковой волне. С позиции волновой теории воздушный объ- ем закрытого помещения рассматривается как сложная многоре- зонансная колебательная система с распределенными параметра- ми. При воздействии сигнала, излучаемого источником звука, в воздушном объеме помещения возбуждаются собственные колеба- ния. Спектр собственных частот достаточно просто рассчитать лишь для помещений простых геометрических форм. Например, для помещений прямоугольной формы (с идеально жесткими от- ражающими поверхностями) длиной /, шириной b и высотой h соб- ственные частоты где g, q, г — целые числа, каждой тройке их соответствует одна из собственных частот помещения. Заметим, что значения g, q, г оп- ределяют число стоячих волн, возникающих в помещении в на- правлениях I, b и h. В помещениях малого объема (-jZV<2, где Я — длина волны воз- буждающего колебания) спектр собственных частот имеет ди- 109
Рис. 4.1. Спектр собственных частот (о) н гистограмма распределения их числг (б) прн 1=10 м, 6=6 м, Л=4 м скретную структуру (рис. 4.1,а, где цифрами сверху здесь показа- ны повторяющиеся частоты). Вследствие этого отдельные частот- ные составляющие спектра возбуждающего колебания усиливают- ся (подчеркиваются), что сопровождается искажением тембра звучания. Частоте 85 Гц соответствуют тройки чисел g, q и г, со- ответственно равные 4, 1, 5; 5, 0, 0; 0, 3, 0 и 0, 0, 2. Как видно из рис. 4.1,а, лишь в области нижних частот (даже для помещений такого небольшого объема) можно говорить о дискретной струк- туре спектра собственных частот. С повышением частоты этот спектр уплотняется. Важной характеристикой звукового поля ма- лых помещений является плотность спектра собственных частот— число Дп в наперед заданном частотном интервале ДЕ (рис. 4.1,6): Дл (4itV/?o-ДГ)/СзВ, (4.4) где Fo — средняя частота выделенного частотного интервала ДГ; с3в — скорость звука. Если выполняется условие то плотность спектра собственных частот помещения настолько вы- сока, что частота возбуждающего колебания практически не отли- чается от частоты собственного колебания. Поэтому усиления от- дельных компонент спектра сигнала за счет резонансов воздуш- ного объема помещения не происходит. Система с распределенными параметрами обладает конечны- ми значениями добротности. Поэтому собственное колебание (или их совокупность), являясь откликом помещения на возбуждение, не может затухнуть мгновенно. Отклик (отзвук) проявляется на любой частоте возбуждающего колебания. Более того, как это следует из волновой теории акустики помещений, процессу зату- 110
хания отзвука свойственны флуктуации, обусловленные интерфе- ренционными явлениями. Иными словами, каждый элемент (от- резок) временной структуры сигнала возбуждает постепенно за- тухающий отзвук. Совокупность отзвуков образует своего рода звуковой фон, на котором слушатель должен воспринимать все но- вые и новые элементы быстро изменяющейся временной структу- ры сигнала. Этот фон, являясь многократным повторением каж- дого отрезка сигнала, увеличивает время его слухового восприя- тия и характеризует собственно помещение, где происходит исполнение программы. Оба фактора — структура спектра собст- венных частот и быстрота затухания отзвука помещения — по-раз- ному влияют на слуховое восприятие. В тех случаях, когда объем помещения достаточно велик а это условие обычно выполняется на практике) и можно не считаться с дискретностью спектра собственных частот, к анализу временной структуры звукового поля можно подойти с позиций геометрической акустики. Поле в каждой точке помеще- ния можно рассматривать как результат интерференции прямой звуковой волны, поступающей от исполнителя по кратчайшему пу- ти (прямой звук), и значительного числа отраженных звуковых волн (отзвуков), претерпевших разное число отражений от по- верхностей помещения. Совокупность этих отраженных звуков об- разует реверберационный процесс студии, существенно изменяю- щий окраску звучания. 4.2.2. ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКОВОЙ ЭНЕРГИИ В ПОМЕЩЕНИИ Падая на поверхность (рис. 4.2), звуковая волна частично от- ражается от нее, частично поглощается материалом поверхности (переходя в тепловую энергию), частично может пройти в сосед- нее помещение. Процессы преломления звуковой волны в поверхности подчиня- ются законам геометрической акустики. При этом энергия, остав- шаяся в помещении после отражения звуковой волны, характери- зуется коэффициентом отражения 0, энергия, теряемая в помеще- нии после отражения,— коэффициентом звукопоглощения а, энер- гия звуковой волны, прошедшая сквозь поверхность,— коэффици- ентом звукопроводности у: ^ПОГЛ . Еотр ' Епр а = ~Ё ’ = "Ё ’ = ~Е ^пад ^пад ^пад где Епад — энергия звука, падающего на поверхность; Еотр — энер- гия звука, отраженного от поверхности; ЕПР — энергия звуковой волны, прошедшей сквозь поверхность в соседнее помещение; Епогл — энергия звуковой волны, теряемая в помещении при отра- 111
Рис. 4.2. Диаграмма, пояс- жении. Очевидно, что а+р==1, так как Епогл+ЕОтр=Епад. Значения коэффициен- тов а, р и у зависят от материала и кон- структивных особенностей поверхности, от частоты и угла ср, падения звуковой волны. Значения коэффициентов звукопогло- щения а, проводимые в справочниках, получены в диффузном звуковом поле, которое характеризуется равновероят- няющая процессы преломле- ным распространением звуковых волн в ния звуковой волны каждом направлении, равенством значе- ний звуковой энергии, распространяю- щейся в каждом направлении, одинаковым значением суммарной звуковой энергии в каждой точке объема помещения. В этом случае коэффициент звукопоглощения является средним значени- ем совокупности его возможных значений а= (?»)]/« (4-6) где а((ф;)—коэффициент звукопоглощения при угле падения зву- ковой ВОЛНЫ фц Поверхности пустого помещения, обработанные разными мате- риалами с коэффициентами звукопоглощения аь аг, ап при пло- щади каждого из них, соответственно равной Si, S2,..., Sn, обра- зуют общий фонд звукопоглощения /lo==::otiSi-4“|CC2S2’4“ ••• -4“Ctn5n—(4'7) Здесь Si4-S2+ ... +Sn=S — суммарная площадь всех поверхно- стей помещения. Дополнительный фонд звукопоглощения помещения образуют . люди, предметы обстановки (в отношении которых трудно оце- нить занимаемую ими площадь). Если известны общее число еди- ниц звукопоглощения для каждого такого объекта (Аь А2,...,Ал) и их количество в помещении Ль, то дополнительный фонд звуко- . поглощения равен 2АйЛй. Экспериментальные оценки акустических параметров студий и залов многоцелевого назначения показали, что, кроме основного и дополнительного фондов звукопоглощения, необходимо учиты- вать и так называемый добавочный фонд звукопоглощения АдОб= = адоб5, где аДОб— коэффициент добавочного звукопоглощения, учитывающий проникновение звуковых волн в различные щели и отверстия помещения, колебания разнообразных гибких элемен- тов, поглощение звука осветительной арматурой и т. п. Значения аДОб зависят от частоты (табл. 4.2). Заметим, что если не учитывается добавочный фонд звукопо- глощения при проектировании студий, то они часто оказываются 112
Таблица 4.2 Наименование студни Коэффициент добавочного звуко- поглощения на частотах» Гц 125 250 500...2000 Средняя музыкальная, малая музыкальная, ка- 0,075 0,06 0,03 мерная студии Большая музыкальная студия 0,09 0,075 0,04 переглушенными в низкочастотной области спектра. Общее звукопоглощение в помещении Л = 2ап5„ + 2ЛЛ^ + аДОб5, (4.8) где А, Ап, Ал, аДОб5 выражены в единицах звукопоглощения. Под единицей звукопоглощения понимается поглощательная способ- ность 1 м2 условного материала, имеющего а=1 ((3 = 0), т. е. пол- ностью поглощающего падающую на эту поверхность звуковую энергию. Среднее значение коэффициента звукопоглощения а для за- полненного помещения (4.8) а= (A/S) (4.9) соответствует условному материалу, которым можно было бы об- работать поверхности помещения, обеспечив поглощение звуковой энергии, свойственное данному конкретному помещению, поверх- ности которого обработаны разнородными материалами. Иными словами, среднее значение коэффициента звукопоглощения пред- ставляет собой величину, учитывающую разнообразие углов па- дения звуковых волн на отражающую поверхность, различие по- глощающих свойств материалов, которыми обработаны поверхно- сти помещения, наличие в последнем звукопоглощающих пред- метов. 4.2.3. СРЕДНЯЯ ДЛИНА И СРЕДНЕЕ ВРЕМЯ ПРОБЕГА ЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ Путь звуковой волны (рис. 4.3,а), многократно отразившейся от поверхности помещения, можно представить в виде ломаной линии, составленной из отрезков /ь 12,1т. Длина каждого тако- го отрезка соответствует свободному пути, пройденному между двумя соседними отражениями. Если значения Ц, /2, •••, 1т известны, то среднюю длину свобод- ного пробега звуковой волны можно найти как т (4.Ю) 8—6697 113
Рис 4 3. Распространение зву- ковой волны в помещении Очевидно, что длины отрезков /ь зависят от формы и раз- меров помещения, от местоположения источника звука 1 и микро- фона М. Вычисление /ср по формуле (4.10) встречает ряд трудно- стей. Во избежание их предположим, что звуковая волна распро- страняется между парой параллельно расположенных поверхно- стей прямоугольного помещения (рис. 4.3,6). Длина свободного пробега звуковой волны, многократно отражающейся от пары взаимно параллельных поверхностей помещения, пропорциональна расстоянию между ними (/, h или Ь) и определяется одним из ра- венств l2=k2h-, l3=k3b. (4.11) Число отражений звуковой волны от каждой пары таких взаимно параллельных поверхностей в единицу времени соответственно равно: где Сзв — скорость звука. Величину /СР можно найти как отношение пути, пройденного звуковой волной в единицу времени (сзв), к общему числу отра- жений за это время («1+«2+»з) от всех поверхностей помещения: /ср=сзв/(/г1+л2+пз)- Расчеты показывают, что для помещений разных объемов коэффициенты kj, k2, k3 мало отличаются друг от друга и близки к 2. С учетом этого lcp^4V/S. (4.13) Из (4.13) следует, что наибольшая длина среднего пробега звуковой волны будет свойственна шару, который, как известно, имеет наибольший объем V при наименьшей площади S, ограни- чивающей это тело поверхности. При V=const для тел любой дру- гой формы, включая и параллелепипед, /ср будет меньше. 114
Среднее время свободного пробега звуковой волны /ср=/ср/Сзв = 4У/(сзВ5). (4.14) Среднее число отражений звуковой волны от поверхностей по- мещения в единицу времени пСр=1Лср=Сзв5/4У. (4.15) 4.3. ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА РЕВЕРБЕРАЦИОННОГО ПРОЦЕССА В ПОМЕЩЕНИИ, ЕГО СЛУХОВОЕ ВОСПРИЯТИЕ На микрофон, установленный в помещении, воздействуют зву- ковые волны, приходящие от источника звука кратчайшим путем (прямой звук), и большое число волн, отраженных от поверхно- стей этого помещения (отзвуки). Последние образуют ревербера- ционный процесс помещения и отличаются от прямого звука уров- нем, спектральным составом, временем и направлением прихода. Пространственность реверберационного процесса является важ- нейшей его особенностью, существенно улучшающей восприятие всех его временных и частотных изменений благодаря присущей слуху избирательной способности по направлению. Аналитически реверберирующий сигнал s(t) можно предста- вить в виде п (4.16а) <=о где а, и т,— соответственно амплитуда и время запаздывания t-ro отзвука (для сигнала прямого звука i=0); x(t)—временная функция сигнала, излучаемого источником звуковых колебаний. Типичная картина реверберационного процесса для помещения любой формы изображена на рис. 4.4,а. По оси ординат отложены уровни сигналов прямого звука и отзвуков, по оси абсцисс — вре- мя их поступления в точку приема звука. В начальной стадии вре- менная структура реверберационного процесса дискретна; однако с увеличением времени запаздывания отраженных сигналов их количество возрастает, а временные интервалы между ними уменьшаются. Уровень отзвуков с течением времени постепенно уменьшается, причем в реальных помещениях этот процесс имеет флуктуационный характер. Этот начальный участок ревербераци- онного процесса несет информацию о геометрических размерах по- мещения, его объеме. Завершающий участок реверберационного процесса характеризуется поступлением в каждый момент време- ни достаточно большого числа отраженных сигналов. Он опреде- ляет свойственную помещению гулкость звучания. 8* 115
Влияние помещения достаточно полно характеризуется его им- пульсным откликом п ^о(х) = 2аг^(хг —х)5(х —xi)- (4.166) 1=0 где а, и Xi — соответственно амплитуда и время запаздывания сиг- нала i-ro отзвука; х— текущее время реверберационного процес- са; 6(т—Xi) —дельта-функция, а , 0 При Т т. — весовая функция, учитывающая «память» слуха; Т — постоян- ная времени слуха, характеризующая интервал времени, в течение которого слуховое ощущение уровня громкости уменьшится на 8... 10 фон, считая с момента выключения источника звука. По не- которым данным Т= 150 ...200 мс. Наглядное представление о вре- менной структуре импульсного отклика помещения йо(т) дает его кратковременная корреляционная функция п п в0Ь)= S — Wi- t)S(x—Дх1./) при т;<х и т/О- 1=0 1=0 (4.16г) Здесь at и а, — амплитуды i-ro и /-го отзвуков; xt и т/— их време- на запаздывания; х — текущее время реверберационного процесса; Л(т,-—т) и Л(т/—т)—весовые функции (4.16в), характеризующие «память» слуха; б(т—Ат,-,/)—дельта-функция, где Дт,,/=т;—т,-. Кратковременная функция корреляции Во(т) (рис. 4.5) им- пульсного отклика помещения содержит множество энергетиче- ских пиков, отличающихся как по уровню, так и по расположению их на временной оси х. Все это позволяет рассматривать ревербе- рационный процесс как совокупность (сумму) апериодических от- ражений и групп периодических отзвуков (см. рис. 4.4,6), каждая из которых имеет различный период следования Т, и неодинако- вое расположение на оси т. Отзвуки, приходящие апериодически, образуют так называемый реверберационный фон (плавно спа- дающий по уровню) и воспринимаются слитно. Энергетические пики кратковременной функции корреляции об- разуют (при слуховом восприятии реверберационного процесса) отзвуки высокого уровня, несущие информацию об акустических свойствах помещения. Причем, если разница по времени поступ- ления к слушателю соседних пиков корреляционной функции (рис. 4.5) Ati,2, Дт2,з, ...,Дт,-,/ меньше порогового значения ДтПОр, то эти отзвуки высокого уровня воспринимаются слитно. При ДТ|,/>- .>Д-Гпор они воспринимаются раздельно. В реальных условиях это 116
Рис. 4.4. Временная структура ре- верберационного процесса поме- щения раметры слуха Рис. 4.5. Кратковременная фун- кция корреляции реверберирующе- го сигнала условие выполняется достаточно часто. Отсюда следует, что при окончательной обработке ревербе- рирующего сигнала в высших нерв- ных центрах, т. е. при его превра- щении в ощущения, образуется ряд раздельно воспринимаемых звуко- вых образов. Об этом свидетельст- вует и тот факт, что временные па- (150. ..200; 20.. .25; 2 мс), зависящие от того, о чем идет речь: об интегрировании слухового ощущения, о разли- чении двух сигналов, о маскировке, существенно меньше длитель- ности реверберационного процесса помещения (0,8.. .2,0 с). При стереофонической звукопередаче реверберационные про- должения сигналов стереопары различны. Вследствие экранирую- щего действия головы слушателя (вызывающего значительное ослабление обходных сигналов, поступающих от левого громкого- ворителя на правое ухо и наоборот) это различие в значительной степени сохраняется и для сигналов, воздействующих на уши слу- шателя. Все это приводит к тому, что интенсивностный разбаланс ANT реверберирующих сигналов стереопары непрерывно меняется (и в широких пределах) как по значению, так и по знаку с измене- нием текущего времени т реверберационного процесса в первич- ном помещении (рис. 4.6,а), где значения т соответствуют момен- там прихода сигналов отдельных отзвуков дискретного участка ре- верберационного процесса сигналов стереопары. Для этого рас- пределения ANT характерна зависимость изменения локализации звуковых образов, формируемых при воспроизведении ревербера- ционных продолжений сигналов стереопары (рис. 4.6,6). Здесь по оси ординат отложено смещение х кажущегося источника звука, выраженное в долях половины базы Z/2, по оси абсцисс — текущее 117
Рис. 4.7. Коррелограммы ревербери- рующих сигналов при двухканальной звукопередаче Рис. 4.6. Изменение разности уровней реверберирующих сигналов стереопа- ры (а) и формальная картина смеще- ния кажущегося источника звука, со- ответствующая этому распределе- нию (б) время т реверберационного процесса. Более точные результаты дает анализ кратковременных функций корреляции ревербера- ционных продолжений сигналов стереопары. Такие коррелограм- мы (рис. 4.7) отличаются расположением энергетических пиков и их амплитудой. Это приводит к тому, что вторичные кажущиеся источники звука (КИЗ), образуемые при стереофоническом вос- произведении реверберационного процесса, свойственного первич- ному помещению, локализуются слушателем в различных точках на линии базы стереосистемы и воспринимаются раздельно, если выполняются условия Дт/<^Д/Гпор и Дтпор, (4.17) где Дт, — временной сдвиг между соседними энергетическими пи- ками для левого и правого каналов стереопары; Дтщ— временной сдвиг между соседними энергетическими пиками кратковременной 118
функции корреляции каждого из реверберационных продолжений; Дтпор — пороговое значение временного сдвига сигналов стереопа- ры, соответствующее «разрыву» КИЗ. Иначе говоря, при стерео- воспроизведении благодаря особенностям бинаурального слуха частично восстанавливается пространственность прихода отзвуков, свойственная первичному помещению, и вследствие пространст- венной демаскировки улучшаются условия для их восприятия. При монофонической передаче все отзвуки, составляющие ре- верберационный процесс в первичном помещении (радиовеща- тельной студии), воспринимаются слушателем в помещении про- слушивания как исходящие из одного направления (громкогово- рителя). Они в значительной степени маскируются сигналом пря- мого звука (который имеет наибольший уровень и поступает пер- вым), что затрудняет выделение отзвуков и тем самым слуховую оценку акустических свойств первичного помещения. 4.4. НЕСТАЦИОНАРНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОМЕЩЕНИИ Представление о диффузном звуковом поле и связанная с ним возможность использования средних значений а, /ср и лср позволя- ет достаточно просто получить выражения, описывающие процес- сы нарастания звуковой энергии в помещении после включения источника звука и ее постепенного поглощения после выключения источника. Заметим, что универсальной энергетической характери- стикой звукового поля является плотность звуковой энергии е= = Е/У или е=/3в/Сзв, где Е и 1ЗВ — соответственно энергия и ин- тенсивность звуковой волны (падающей или стоячей, если речь идет о закрытом помещении); V и сзв — объем помещения и ско- рость распространения звуковой волны. 4 4 4.1. ПРОЦЕСС НАРАСТАНИЯ ЗВУКОВОЙ ЭНЕРГИИ В ПОМЕЩЕНИИ Предположим, что в момент времени £=0 в помещении начал работать источник звука с акустической мощностью Р3. Пусть поглощение энергии в помещении, являющееся следствием отра- жения звуковых волн от его поверхности, происходит через интер- валы времени /ср— среднее время свободного пробега звуковой волны). За это время источник звука отдаст в помещение энергию ЕЦср) =Patcp- В момент времени t=tcp произойдет акт поглоще- ния части энергии поверхностями помещения и останется лишь часть ее РаАрР- К моменту времени t=2tcp к оставшейся части энергии добавится энергия, излученная источником звука за ин- тервал времени от t=tcp до t=2tcp, т. е. опять-таки Pptcp, и энер- гия, запасенная в помещении: Е (2/ср) = 7Эа^срР-|-^:>а^ср — /"^cp (14“Р) • 119
Продолжая рассуждать аналогичным образом, нетрудно убе- диться в том, что в момент времени /=пг'ср в помещении, очевид- но, будет запасена энергия Е («Q = Patcp (1 + р + ₽’ + ... + р"-) = = Р/Ср (1 + (1 - а) + (1 - + - + (1 - «)"-) = = Л/срП ~(1 -«)”]/«• (4-18) Если принять во внимание, что п= (t/tcP) = 4W/(c3BS) и, кро- ме того, справедливо тождество (1—а)’1 = ехр[л1п(1—а)], то (4.18) можно легко преобразовать к виду <4J9> Учитывая, что универсальной энергетической характеристикой зву- кового поля в помещении является плотность звуковой энергии, окончательно запишем е (Г) = Г1 _ ехр ( Сзв-51п(1~а) И] (4.20) V c3BaS [ k 4V /\ Напомним, что aS = A — общее поглощение звуковой энергии в помещении. Коэффициент звукопоглощения а<1; поэтому In(1 — —а)<0, показатель степени имеет отрицательный знак и при /->оо второй сомножитель стремится к нулю. Поэтому в устано- вившемся режиме имеем 8o=4Pa/(c3BaS). (4.21) Величина ео называется установившейся плотностью звуковой энергии в помещении. В установившемся режиме мощность, погло- щаемая поверхностями помещения, равна мощности, излучаемой источником звука. Иначе говоря, процесс нарастания звуковой энергии в помещении происходит до тех пор, пока энергия, соот- ветствующая наиболее запаздывающим повторениям (отзвукам), не снизится до пренебрежимо малого значения. Заметим, что если а 0,2, то справедливо соотношение —In (1—a)=a и тогда (4.20) можно упростить: s (0 = -4Ра Г1 —expf —-^М1. (4.22) r3BocS [ \ 4V / J Из (4.20) следует, что в диффузном звуковом поле процесс на- растания плотности звуковой энергии в помещении происходит по экспоненциальному закону (теоретическая зависимость 1 на рис 4.8,а). При этом нарастание звуковой энергии ускоряется при уве- личении модуля показателя степени при е, т. е. при увеличении коэффициента звукопоглощения а и отношения S/V, за- 120
Рис. 4.8. Нарастание (а) и спадание (б) звуковой энергии в помещении, а так- же совмещение этих процессов в одном временном масштабе (в) висящего от формы и размеров помещения. Очевидно, что уста- новившаяся в помещении плот- ность звуковой энергии 80 (4.21) растет с увеличением мощности источника звука Ра и падает с увеличением общего звукопогло- щения .4 = aS. В реальных усло- виях, где звуковое поле в поме- щении не может считаться стро- го диффузным, процессу нара- стания звуковой энергии в по- мещении свойственны флуктуа- ции (2 на рис. 4.8,а). 4.4.2. ПРОЦЕСС СПАДАНИЯ ЗВУКОВОЙ ЭНЕРГИИ В ПОМЕЩЕНИИ Пусть в помещении установилась плотность звуковой энергии ео- Выключим источник звука и с этого момента будем отсчиты- вать текущее время t. Допустим, что акты поглощения звуковой энергии, как и ранее, происходят через интервалы времени fcP (4.14). После первого акта в момент времени t—tcp плотность зву- ковой энергии в помещении е(^ср)=ео(1—а). После второго акта поглощения в момент времени /=2^ср плотность энергии е (2?СР) = = е(/Ср)(1—а)=е0(1—а)2. Соответственно после n-го акта погло- щения звуковой энергии в помещении ее оставшаяся часть в мо- мент времени t=ntQV составит е(/Щр) =е0(1—a)n. (4.23) Выполняя те же преобразования, что и ранее (учитывая тож- дество (1—a)" = exp[nln(l—а)] и тот факт, что n=tltZf— = c3aSt/4V, окончательно найдем s (/) = г0 ехр [п In (1 — a)l = е0 exp f C3B‘Sln^1—— t I 4V (4.24) Заметим, что при коэффициенте звукопоглощения а^0,2 мож- но воспользоваться равенством —1п(1—a)=a и упростить полу- ченное выражение: e(0 = eoexp[— (4-25) 121
Процесс спадания звуковой энергии в помещении (4.24) и (4.25) также отображается экспоненциальной зависимостью (/ на рис. 4.8,6) и зависит от общего звукопоглощения Л = а5 и объема V помещения. Этот процесс тем короче, чем больше А и чем мень- ше V. Процесс затухания звука в реальных помещениях флуктуа- ционный (2 на рис. 4.8,6), т. е. имеются отклонения от теоретиче- ской зависимости. 4.4.3. РЕВЕРБЕРАЦИЯ 7 На рис. 4.8,в изображены процессы нарастания и спадания зву- ковой энергии в помещении в одном временном масштабе. Здесь по оси ординат отложен логарифм относительного изменения плотности звуковой энергии lg(e/eo) как величины, более точно от- ражающей реакцию слуха на звуковое воздействие, а по оси абс- цисс отложено текущее время t. Из рассмотрения этой зависимо- сти, где момент t\ соответствует включению источника звука в по- мещении, a t'\ — его выключению, видно, что процесс нарастания плотности звуковой энергии в помещении происходит очень быст- ро и поэтому незаметен на слух. Процесс спадания звуковой энер- гии, называемый реверберацией, замедлен, заметен на слух и иг- рает важную роль в слуховом восприятии. Звуковая энергия поглощается не только поверхностями поме- щения, но и средой. Эти дополнительные потери обусловлены вяз- костью и теплопроводностью воздуха, а также молекулярным по- глощением. Поглощение звука в воздухе определяется пробегом I звуковой волны и достаточно точно может быть описано экспонен- циальной функцией вида е—еоехр (—ц/), (4.26) где l—c3Bt, а ц — коэффициент затухания, равный обратному зна- чению того пути I, на котором плотность звуковой энергии умень- шается в е раз. Значение ц зави- сит от плотности ро и вязкости ц воздуха, а также от температуры, влажности воздуха и частоты F (рис. 4.9): ц = 52,5 —т]. (4.27) с звРо С учетом поглощения звука в воздухе выражение (4.24), описы- вающее процесс реверберации зву- Рис. 4.9. Зависимость коэффициента затуха- ния звука в воздухе от относительной влаж- ности и частоты (по данным Э. Ивенса и Э. Безли) 122
ка в закрытом помещении, можно представить в виде , i г. I C3BSln(l—а) Л е (/) = е0 ехр (— р./) ехр в-^-------tj - = еоехр S 1п(1 —а) — 4цУ Л ЗВ * I • 4V (4.28) Заметим, что при одной и той же акустической мощности ис- точника звука длительность процесса реверберации на низких и средних частотах почти не зависит от звукопоглощения воздушной среды, ибо значение коэффициента ц мало. В области высоких ча- стот длительность процесса реверберации уменьшается тем зна- чительнее, чем выше частота. Вообще говоря, чем больше объем помещения, тем больше средняя длина свободного пробега звуко- вой волны (4.13), тем на более низких частотах начинает сказы- ваться поглощение звука в воздушной среде. 4.5. ОСНОВНЫЕ КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ АКУСТИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА ПОМЕЩЕНИЙ 4.5.1. ВРЕМЯ СТАНДАРТНОЙ РЕВЕРБЕРАЦИИ Из (4.21) видно, что установившаяся плотность звуковой энер- гии в помещении зависит от акустической мощности Ра источника звука. Очевидно, что с увеличением Ра длительность (G и t2' на рис. 4.8,в) процесса реверберации возрастает, хотя его слуховая оценка практически остается неизменной. Чтобы время ревербера- ции характеризовало только акустические свойства помещения, надо исключить его зависимость от Ра. Для этого введем понятие времени стандартной реверберации ТР помещения — времени, в те- чение которого плотность звуковой энергии е(/) уменьшается в 106 раз, т. е. на 60 дБ. Из этого определения следует, что при t=T$ имеем е0 10 6 = ехр S ln( 1 — а) — 4р.V 4Ё С Т G3BJ р После логарифмирования и подстановки значений сзв—= = 340 м/с и lge = 0,434 решим полученное выражение относи- тельно 0,164V — Sln(l — а) + 4р. V (4.29) Итак, время стандартной реверберации (4.29) зависит от объ- ема помещения V, площади S ограничивающих его поверхностей, коэффициента звукопоглощения а и поглощения звука в воздухе. Заметим, что в знаменателе этой формулы первое слагаемое учи- тывает потери звуковой энергии при отражениях, второе — погло- 123
Рис. 4.10. Диаграммы, поясняющие оценку времени эквивалентной реверберации щение звука в воздухе. Величины it и а частотно-зависимы. С по- вышением частоты время стандартной реверберации Гр уменьша- ется прежде всего вследствие роста ц. Для небольших помещений, а также для помещений большого объема, но на частотах ниже 1000 Гц вторым слагаемым в знаме- нателе (4.29) можно пренебречь: Т °'164Е —Sln(l—а) (4.30) или, воспользовавшись тождеством 1п(1—a)—2,31g(l—а), прий- ти к формуле Эйринга Т -х. 0,071V -Slg(l-a) (4-31) В помещениях большого объема на частотах от 1000 до 4000 Гц оба слагаемых в знаменателе выражения (4.29) примерно равно- ценны. На частотах более 4000 Гц основную роль начинает играть звукопоглощение в воздухе и время стандартной реверберации становится малым, практически уже не влияющим на слуховое восприятие. При небольших значениях коэффициента звукопоглощения ^0,2 справедливо соотношение —1п(1—а)—а, тогда от (4.30) можно перейти к формуле Себина 7’p=0,164V/(a5). (4.32) Если отсюда найти звукопоглощение помещения Д = а5 = 0,164У/Тр (4.33) и подставить это выражение в (4.21), то получим, что при потоян- ной акустической мощности источника звука установившаяся 124
плотность звуковой энергии ео в помещении растет с увеличени- ем ТР: е0«Ра7р/13.8У. (4.34) Ни одна из приведенных здесь расчетных формул не является абсолютно точной, ибо не учитывает влияния формы помещения, особенностей размещения источника звука и звукопоглощающих материалов. Строго говоря, эти формулы пригодны, если звуко- вое поле в помещении является идеально диффузным (рис. 4.10,а). 4.5.2. АКУСТИЧЕСКОЕ ОТНОШЕНИЕ И ЭКВИВАЛЕНТНАЯ РЕВЕРБЕРАЦИЯ « Время стандартной реверберации является важным, но не ис- черпывающим критерием акустического качества помещения. Этот параметр характеризует акустические свойства помещения в целом, в то время как слуховая оценка звучания на отдельных местах прослушивания может быть различной, что прежде всего обусловлено изменением соотношения плотностей звуковой энер- гии епр прямого звука и энергии еотр, приносимой в эту точку, всей совокупностью отражений. Если источник звука излучает сферические волны, то плот- ность звуковой энергии прямого звука в точке помещения, удален- ной от него на расстояние г, 1 Зв.Пр _ ®ПР= ~в Pl 4w2c3B (4.35) Плотность звуковой энергии диффузной составляющей еотр определим как часть установившейся плотности звуковой энергии ео (4.21), которая остается в помещении после выключения источ- ника звука через интервал времени tcp (т. е. после первого отра- жения от поверхностей помещения): Еотр = ео₽ = -^7 (!—«)• (4.36) Величину, характеризующую соотношение плотности звуковой энергии прямого (4.35) и диффузного (4.36) звуков, называют акустическим отношением еотр ___ 16лг2 1—а СпР " S а (4.37) Величина зависит от частоты, так как коэффициент а частотно- зависим. Изменение акустического отношения воспринимается при слу- ховой оценке как изменение времени реверберации. Для музыкаль- ных программ акустическое отношение доходит до 6...8, в отдель- 125
них случаях до 10... 12 (органная музыка). При SK.1 музыкаль- ное звучание кажется неестественно сухим. Для речевых прог- рамм обычно 5?<1. Расстояние до источника звука, при котором J?=l, называется радиусом гулкости помещения: при больших расстояниях еОтР>епр и в звучании появляется гулкость. Как видно из рис. 4.10,6 (зависимость /) звуковая энергия в помещении при наличии в точке расположения микрофона пря- мого и отраженного звуков в момент времени t\ изменяется скач- ком, что обусловлено исчезновением поля прямого звука епР при выключении источника. Размер этого скачка А определяется аку- стическим отношением. В идеально диффузном поле й?=оо (епр= = 0) упомянутый скачок отсутствует (зависимость 3 на рис. 4.10,6). Два процесса спадания звуковой энергии в помещении — ре- альный со скачком уровня в момент времени t\ (зависимость 1 на рис. 4.10,6) и без скачка (зависимость 2)—оцениваются на слух как эквивалентные по гулкости, если точка их пересечения А от- стоит от момента времени Л на интервал А/а;0,2 с. Время, в те- чение которого плотность звуковой энергии этого эквивалентного процесса (кривая 2) уменьшается на 60 дБ (или в 106 раз) и оп- ределяет время эквивалентной (ощущаемой на слух) ревербера- ции Тэр. Очевидно, что, изменяя Й?, можно менять субъективное ощущение воспринимаемой реверберации. Всегда Тэр<.Тр и толь- ко при ТэржТр. Для расчета значения Тзр можно воспользоваться формулой пР 1,2Т0 1,2 +Гр 1g (4.38) где Q,, — E^,i/E^2 — коэффициент направленности микрофона; ЕМ1 и Дм2 — чувствительность микрофона к прямому и диффузному звукам. Время эквивалентной реверберации Тэр существенно зависит от расстояния между источником звука и точкой расположения мик- рофона, от характеристик направленности последних. При малом значении г оно заметно меньше Тр за счет высокого уровня пря- мого звука. Воспринимаемая реверберация в этом случае ослабля- ется. При значение Тэр близко к Тр. Время Тэр может быть малым при использовании остронаправленных микрофонов, ори- ентированных на источник звука. 4.6. ОПТИМАЛЬНАЯ РЕВЕРБЕРАЦИЯ Оптимальное значение времени стандартной реверберации, при котором передача воспринимается наилучшим образом, зависит от жанра программы, объема помещения и частоты. Для двух основ- 126
125 250 SOO WOO 2000 4000 5, Гц 725 250 500 7000 2000 Г,Гц * a) Рис. 4. II. Пределы изменения оптимального значения времени стандартной реверберации в рече- вой (а) и музыкальной (б) сту- дии, а также зависимость этого времени от объема (в) для рече- вых (/) и музыкальных (2) сту- дий (средние частоты 500 ... ...1000 Гц). ных видов вещательных программ — речевых и музыкальных — оптимальное значение времени реверберации Тр.опт существенно различно, но в большинстве случаев регламентируется для частот- ного диапазона 125 Гц... 4 кГц. Вообще говоря, чем меньше время реверберации, тем выше разборчивость речи. Однако слишком малое время реверберации делает звучание слишком сухим, обедняет его в тембральном от- ношении. Увеличение Тр обогащает звучание, придает ему объем- ность, гулкость, но ухудшает условия восприятия смысловой ин- формации при речевой передаче. Для дикторских студий время ре- верберации должно оставаться практически постоянным (0,3... ...0,4 с) в полосе частот 125...4000 Гц. Допускается уменьшать это значение до 0,2 ...0,25 с в студиях меньшей площади, чем это указано в табл. 4.1. Поскольку низкочастотные компоненты спект- ра определяют в основном гулкость звучания, то снижение време- ни реверберации на низких частотах в определенной степени спо- собствует повышению разборчивости речи. Поэтому в телевизион- ных студиях, где основным видом звучания является речь, рекомендуется обеспечивать горизонтальную частотную характе- ристику времени реверберации в диапазоне 250 ...4000 Гц с плав- ным спадом 6 на более низких частотах. На частоте 125 Гц раз- мер этого спада 6 должен составлять 20 ...25% от значения Тр.опт в полосе частот 250... 4000 Гц (рис. 4.11,а речевая студия). Кон- кретное значение Тр.опт зависит от размеров студии и увеличивает- ся с ростом объема помещения V. Например, для телевизионных студий с площадью пола 600, 300, 150 и 60 ...80 м2 значения Тр.опт соответственно равны 0,9; 0,8; 0,65 и 0,4 с. 127
В литературно-драматических студиях время реверберации должно быть больше, чтобы передать все богатство тембра речи актера. Большие литературно-драматические студии с площадью пола 150 ...200 м2 должны иметь 7’р.Опт=0,8... 1,0 с, а для студий меньшей площади 100 м2) 0,5 ...0,7 с. Требования к оптималь- ной реверберации в малых литературно-драматических студиях (с площадью пола 30 ...40 м2) те же, что и для дикторских студий. В литературно-драматический блок (ЛДБ) радиодома обычно вхо- дит заглушенная студия, предназначенная для создания различ- ных звуковых эффектов, а также для записи передач, которые по замыслу режиссера должны происходить на открытом воздухе. В таких студиях следует обеспечить минимально возможное время реверберации: в полосе частот 125 ...4000 Гц оно не должно пре- вышать 0,15 с. Иногда в состав ЛДБ включают разглушенную студию, представляющую собой гулкое помещение. По аналогии с комнатами «эхо» для них рекомендуется горизонтальная форма частотной характеристики времени реверберации при Тр^З с. В музыкальных студиях оптимальное время реверберации су- щественно больше, чем в речевых. Это способствует улучшению мелодичности, выразительности звучания: более богатыми, тонь- ше нюансированными, более естественными воспринимаются темб- ры инструментов; звучание приобретает объемность. Все это по- ложительные стороны реверберации. Для музыкальных студий бо- лее предпочтительной является горизонтальная форма частотной характеристики Тр.опт* При этом в крупных студиях (площадью бо- лее 450 м2) на высоких частотах допускается спад времени ревер- берации, обусловленный поглощением звука в воздухе (рис. 4.11,6, музыкальная студия). Время Тр.опт зависит от объема студии V и жанра музыкальных программ. В целом с увеличением объема музыкальной студии время Тр.опт возрастает (рис. 4.11,в). Однако в студиях объемом более 3000... 5000 м3 на Тр.опт гораздо сильнее влияет жанр про- изведения. По данным фундаментальных исследований В. Куля, оптимум реверберации в больших студиях (К>5000 м3) мало за- висит от объема и составляет 1,48+0,05 с для современной клас- сической музыки; 1,54JZq.’o7 с для классической музыки; 2,О7Д.^,'о7 с для романтической симфонической музыки. Крупные музыкальные студии, предназначенные отдельно для записи классической и романтической музыки, сложно строить. Поэтому для подобных помещений выбирают «усредненные» зна- чения Тр.опт. На основании длительного опыта эксплуатации реко- мендуется выбирать для крупных (площадью 750 м2), средних (350 ...400 м2) и малых (250 ...300 м2) музыкальных студий значе- ния Тр.опт, равные соответственно 2,0; 1,5... 1,7 и 0,9... 1,1 с. В студиях, предназначенных для исполнения эстрадной и джа- зовой музыки, площадью 350 ...450 м2 Тр.опт должно составлять 128
0 9... 1,1 с, а в небольших камерных студиях (площадью 150 м2) 1,0+0.2 с. Оптимум и форма частотной характеристики реверберации в разных студиях одинакового объема могут колебаться в достаточ- но широких пределах в зависимости от формы студии и ее высо- ты, расположения звукорассеивающих конструкций, вариантов размещения оркестрантов, принятой технологии звукозаписи (с использованием акустических кабин для размещения исполни- телей, акустических щитов и тому подобных конструкций). Поэто- му указанные оптимальные значения реверберации, заимствован- ные из нормативных документов, следует рассматривать как пер- воначальные исходные данные, подлежащие уточнению в процессе акустической настройки студии. Элементы акустической настройки студии должны быть предусмотрены в обязательном порядке уже на стадии ее проектирования. Аппаратные и комнаты прослушивания по своим параметрам близки к речевым студиям. Оптимальное значение времени ревер- берации для них рекомендуется выбирать из соотношения Tp'™ = T^V/V0, где Ко = 100 м3, Тр= (0,28+0,05) с; V — объем помещения, изме- няется обычно в пределах 100 ...300 м3. Частотная характеристика времени реверберации — горизонтальная прямая с размером от- клонения границ +0,05 с, на частотах ниже 160 Гц поле допуска увеличивается до +0,1 с. 4.7. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ КРИТЕРИИ АКУСТИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА ПОМЕЩЕНИЙ Время стандартной реверберации Тр и акустическое отношение 9? еще не полностью определяют акустическое качество поме- щений. Известно очень большое число дополнительных критериев ка- чества помещений. Практически все они являются энергетически- ми и основаны на оценке энергии Е импульсного отклика поме- щения р3в(0 для разных временных интервалов t t, t(t) = \p^dt- Ер1; = ° оо G (4-39) E^, oo) = ^Pl3(t)dt, t где p3B(^)—изменяющееся во времени мгновенное значение зву- кового давления; t, t\ и tz — текущие моменты времени импульсно- го отклика помещения. э-6697 129
Наиболее часто применяют следующие энергетические крите- рии (в децибелах): четкость ^5—101g(E5o/Eoo), (4.40) прозрачность V = 101g—(4.41) — С80 гулкость ^=101g Evb°_, (4.42) ^50 пространственное впечатление Л = 101g е8О + е25,8о-е*|8о . (4 43) Е25 + E^5j3q литерализация = 101g Е5о~-25- . (4.44) Е8о Выражение (4.44) оценивает долю энергии отраженных звуков, поступающих с боковых направлений (справа и слева) помещения. Нижний индекс у функции Е определяет значение t в миллисе- кундах, являющееся верхним пределом интеграла [ (/) Л им* 6 пульсного отклика помещения. Если указаны два значения, то они являются соответственно нижним 0 и верхним t2 пределами 2 при вычислении интеграла \ Верхний индекс А свиде- ti тельствует о том, что для приема импульсного отклика помещения применен однонаправленный измерительный микрофон с углом ох- вата ±40° в диапазоне частот 500... 1000 Гц, ориентированный на источник звука. Верхний индекс В соответствует применению из- мерительного микрофона с диаграммой направленности в виде восьмерки, причем ось его максимальной чувствительности ориен- тирована перпендикулярно боковым стенам помещения. Отсутст- вие верхнего индекса у функции Е говорит о применении ненаправ- ленного измерительного микрофона при записи импульсного от- клика помещения. Одним из важнейших критериев при оценке акустического ка- чества помещений, предназначенных для исполнения речевых про- грамм, является разборчивость (рис. 4.12): слоговая Гал, словес- ная Vw- Она представляет собой отношение числа правильно по- 130
рис. 4.12. Изменение качества речи от слоговой VS4 и словесной Vip раз- борчивости нятых слогов или слов к об- щему их числу, имеющемуся в артикуляционной таблице, и выражается в процентах (см. гл. 5). Здесь же приведена шкала оценки качества речи. Для речевых сигналов кри- терий четкости 3) связан прежде всего с высокой раз- борчивостью, его оптимальное значение составляет —1,5... ...—2 дБ. Для радиовещания коэффициент словесной раз- борчивости не должен быть менее 96 % • В музыкальных студиях оптимальное значение параметра 3) лежит в пределах —3...—6 дБ и не должно сильно меняться от одной точки расположения изме- рительного микрофона к другой. Пределы изменения критерия прозрачности в студиях, пред- назначенных для исполнения классической музыки, составляют — l,8^'g:,^+2 дБ, а для романтической музыки соответственно —5=^^—1,8 дБ. Оптимальные значения критерия гулкости Ж в музыкальных студиях лежат в пределах +3...+8 дБ. При Ж<32> дБ звучание кажется излишне сухим, а при Ж>% дБ — слишком гулким. Пространственное впечатление практически не ощущается, ес- ли значение 31' (4.43) составляет менее —10 дБ, слабо заметно, при —10^$*'г=:—4 дБ, заметно, если —4^5?'^+1 дБ, очень хо- рошее при 1^5?'^+7 дБ, излишне полное, если 5?'>7...дБ. В музыкальных студиях значение критерия 33 (4.44) должно быть не менее —1,5 дБ. 4.8. ЗВУКОВОЙ ФОН В ПОМЕЩЕНИИ Важнейшей характеристикой радиовещательных и телевизион- ных студий является допустимый уровень шума, который образует звуковой фон помещения. Он складывается из четырех основных составляющих: шумов, проникающих в студию из смежных поме- щений вследствие звукопроводности стен, пола и потолка; струк- турных звуков, распространяющихся по конструкциям здания и обусловленных вибрацией машин и механизмов; так называемых воздушных шумов, создаваемых системой кондиционирования и вентиляции; шумов технологического оборудования, установленно- го в студии. 9* 131
Рис. 4.13. Зависимость допустимого уровня звукового давления шума в радиовещатель- ных (/} и телевизионных (2) студиях от частоты Допустимый уровень звукового давления шума Na Для радиовеща- тельных и телевизионных студий зависит от частоты F (рис. 4.13). Применительно к радиовещатель- ным студиям этой зависимости со- ответствует уровень громкости звукового фона около 20 фон. Получим выражение для оценки уровня воздушных шумов в студии. Если в смежном со студией помещении источник звука с акустической мощностью Ра создает диффузное звуковое поле, то установившаяся в нем плотность звуковой энергии ео= = 4Pa/(c3BaS). Это выражение можно записать иначе: Р а — eoC3BSa/4, (4.45) где правая часть равенства определяет мощность, поглощаемую помещением, а левая — мощность, излучаемую источником. Чтобы определить ту часть звуковой мощности Р&", которая проникает из этого помещения в студию через стену (преграду), можно посту- пить формально, заменив в (4.45) коэффициент звукопоглощения а коэффициентом звукопроводности уп преграды, a S — площадью преграды Sn, тогда е0сзв^п „ _____ ^зв^п „ . In . In* 4 4 (4.46) Здесь 73в = еоСзв — интенсивность звука, падающего на преграду. Каждая студия обычно имеет несколько смежных с ней поме- щений, в каждом из которых могут действовать свои источники звука, создающие звуковой фон в студии. Если принять во внима- ние, что сигналы этих источников звука не коррелированы между собой, то в студию из смежных помещений проникает суммарная мощность звука (4-47) где число поверхностей, ограничивающих студию, равно 6. Величину Р'а можно рассматривать как акустическую мощность источника звука, находящегося в студии. Тогда в соответствии с 132
(4.21) установившаяся плотность звуковой энергии в студии 6 <4Л8> 1 где aS — общее звукопоглощение студии. Интенсивность звука в студии /зв = ессзв, тогда имеем 13в = = (4/’/a/aS). После деления левой и правой частей этого равенст- ва на 73во с учетом выражения (4.47) получим ф- = = У. SnTn/(aS). ‘ (4.49) ' зво а*^'зво лшЛ 'зво 1 Здесь 73во — интенсивность звука, соответствующая стандартному порогу слышимости. Используя тождество х— 10lgx и вводя понятие коэффициента звукоизоляции <Тп= 101g(l/-yn) в децибелах, преобразуем выраже- ние (4.49) к виду 6 Л 1О1^зв.п"зво>- 101g(l/Tn) , 2j S„10 зв» 2jSn10---------io-------- I ЗВ 1 1 / 3bq aS aS f snio°’ltv"-’n) = -------------------, (4.50) aS где Na.n= 101g(/3B.n//3Bo)—выраженный в децибелах уровень ин- тенсивности звука в смежном со студией помещении; °п = 101g (-Ц = 101g - 101g 4— = Ч,ад - Nn (4.51) \ Yn / 'зво 'зво — коэффициент звукоизоляции в децибелах, показывающий, ка- кая часть звуковой мощности задерживается преградой, Nna« — уровень интенсивности звука с наружной стороны преграды; Nn — уровень интенсивности звука с внутренней стороны пре- грады. Итак, в студии создается уровень звукового фона воздушными шумами 6 2 Sn10°'I(N’-n-’n’ Na = 101g 4^- = 101g —-------------------. (4.52) I зво a$ 133
Рис. 4.14. Глушители яче- ечного (а), пластинчато- го (б) и камерного (в) типов Заметим, что уровень звукового фона Na в студии определяет- ся не только уровнем интенсивности Na.n звука в смежных поме- щениях и звукоизоляцией стен, но и звукопоглощением aS студии. В гулком помещении Л\ возрастает вследствие увеличения ес (4.34), что связано с ростом Тр. В сильно заглушенных помещени- ях уровень звукового фона в студии практически определяется звукоизоляцией стен. Для уменьшения уровня шумов, проникающих в студию по ка- налам вентиляционных систем, последние оборудуют глушителями ячеечного (рис. 4.14,а), пластинчатого (рис. 4.14,6) и камерного (рис. 4.14,в) типов. Внутренние поверхности глушителей покрыва- ются звукопоглощающими материалами, например войлоком. Ес- ли глушитель представляет собой отрезки труб разной длины I и поперечного сечения S, то вносимое им затухание в децибелах оп- ределяется выражением а = Юп lg f_L+A> 5 = \ i — а У 1 — 2<о02 /<»2 (4.53) где Si и S2— поперечные сечения труб, Si<tlS2; /1 и 12-—длины отрезков труб; ® — круговая частота; п — число звеньев глуши- теля. Если длины звуковых волн невелики по сравнению с линейны- ми размерами камеры и поле в ней диффузно (это условие выпол- няется для области средних и высоких частот звукового диапазо- на), то плотность шумовой энергии в камере еш=4/3а1/(с3вЛ) (где А— звукопоглощение в камере, Рщ — мощность шума во входя- щем потоке), а затухание шума в камерном глушителе a=101g(X/S), (4.54) где S — площадь сечения выходного канала глушителя. Заметим, что в области низких частот звуковое поле в камере не является диффузным и камера ведет себя как пластинчатый глушитель. Для ослабления уровня структурного шума, обусловленного вибрацией поверхностей студии, применяют «плавающие» конст- 134
рукции пола, подвесные стены и потолок. Основными элементами таких конструкций являются гибкие прокладки, пружины, элас* тичные подвески. Резонансная частота таких конструкций ©о3* = 1/У/псм, где т — масса; ск — гибкость системы. При этом ослаб* ление уровня шума от вибрации достигается только при выпол* нении условия ^<^//2, (4.55) где F — низшая частота вибрации; Рй— резонансная частота пла* вающей или подвесной конструкции. 4.9. СПОСОБ СОЗДАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ акустических УСЛОВИЙ В СТУДИЙНЫХ помещениях 4.9.1. ПЛАНИРОВКА АППАРАТНО-СТУДИЙНЫХ КОМПЛЕКСОВ Радиодом представляет собой совокупность помещений различного назначе- ния (рис. 4.15): студий, специализированных по типу передач, примыкающих к ним студийных аппаратных, аппаратных вещания, перезаписи и монтажа, репети- ционных и редакторских помещений, помещений, предназначенных для хранения фондовых записей, декораций, музыкальных инструментов и т. д. Размещение помещений должно обеспечивать удобную технологическую связь между служ- бами (начиная от подготовки и записи фрагментов вещательных программ до их выпуска и распределения). Должны быть предусмотрены возможность не- прерывного контроля качества и содержания, высокая звукоизоляция студий И аппаратных. При этом необходимо стремиться к минимальной стоимости соору- жений. К студиям и аппаратным должны примыкать помещения с возможно более низким уровнем звукового фона (для хранения инвентаря, декораций и т. п.)< На входах и выходах студии следует располагать тамбуры, открывающиеся в направлении выхода из студии. Внутренние поверхности тамбуров обрабатыва- ются звукопоглощающими материалами. Расположение входов должно позво- лять быструю смену исполнителей В телевизионных студиях с площадью пола более 200 м2 по периметру стен сооружается балкон для размещения освети- тельной аппаратуры. Студии площадью более 600 м2 обычно имеют два балкона. Студийная аппаратная размещается рядом со студней н связана с ней смот- ровым окном. В качестве примера на рис. 4.15 показана планировка студийного корпуса радиодома, где 1—комната для хранения и выдачи репортерских магнитофо- нов, 2— аппаратная монтажа внестудийных записей и расшифровки фонограмм, 3— комната «эхо», 4 — аппаратные перезаписи, 5 — аппаратные записи и мон- тажа, 6 —студийная аппаратная, 7 — комната дикторов и выпускающего прог- рамму, 8— камерная студия, 9— фонотека с помещениями для хранения фон- довых (10) и оперативных (11) записей и кабиной прослушивания (/2); 13 й 17—аппаратные вещания, 14 и 16 — речевые студии, 15 — аппаратная записи, 18—кабельная шахта, 19 — комната технического персонала. Фрагмент планировки телевизионного комплекса показан на рис. 4.16, где 1 — телевизионная студия, 2 — склад декораций, 3 — декорационная, 4 — прог- раммная дикторская студия, 5 — помещение для хранения телекамер, 6 — ком- ната художников-декораторов, 7—помещение для хранения музыкальных ий- 135
Рис. 4.16. Фрагмент планировки студийной части телевизионного комплекса 136
Рис. 4.17. Пример планировки литературно-драматического блока струментов, 8 — комната для хранения осветительной аппаратуры, 9— комната студийных операторов, 10 — помещение для силового оборудования, 11— аппа- ратная телекиносъемок, 12 — редакторское помещение. Студия занимает два этажа здания. Студийная аппаратная, где установлены пульт видеооператора и пульт звукорежиссера, расположена на втором этаже здания над помещения- ми 5—11. Пример планировки литературно-драматического блока, предназначенного для осуществления радиопостановок, приведен на рис. 4.17. Основная студия 1 площадью 150... 200 м2 объемом около 2000 м3 предназначена для проведения сцен в нормальной акустической обстановке с большим числом исполнителей. К основной студии примыкают еще две, но меньшей площади (40 ...60 м2). Од- на из них (2) представляет собой заглушенное помещение, предназначенное для исполнения сцен, происходящих на открытом воздухе (в условиях отсутствия реверберации). Вторая студия (3) из этой пары является гулким помещением. Кроме того, в состав литературно-драматического блока входит эхо-камера, ко- торая располагается обычно этажом ниже. В помещении 7 хранится реквизит, а 4 — студийная аппаратная с просмотровыми окнами в каждую студию (Л 2, 3). 4 9.2 РАЗМЕЩЕНИЕ ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИХ И ЗВУКОРАССЕИВАЮЩИХ КОНСТРУКЦИИ В СТУДИЯХ Обработка поверхностей студии звукопоглощающими конструкциями необ- ходима для получения оптимальных акустических характеристик, среди которых особую роль играет время стандартной реверберации. Для достижения требуе- мой частотной характеристики звукопоглощения обычно комбинируют конст- рукции, поглощающие энергию преимущественно на низких, средних и высоких частотах звукового диапазона. В студиях, как правило, используют три типа звукопоглотителей: пористые акустические плиты (например, типа Акмигран, ПА/О, ПА/С, «Москва»), коэффициент звукопоглощения а которых обычно имеет максималь- ное значение в области средних и высоких частот (рис. 4.18,о) звукового диапа- зона; пористые перфорированные экраны, чаще всего представляющие собой слой эффективного звукопоглотителя (минеральной ваты, стекловолокна и т. п.), обер- нутого стеклотканью и закрытого снаружи перфорированным листом. В качестве последнего используется фанера толщиной 4 ... 5 мм, а также гипсовые или ме- таллические листы. Частотная зависимость коэффициента а этих конструкций имеет резонансный характер (рис. 4.18,6), причем в зависимости от размера 137
Рис. 4.18. Зависимость коэффициентов звукопоглощения от частоты: для пори- стых звукопоглощающих акустических плит (а), для перфорированных звуко- поглотителей с наполнителем (б) и для низкочастотных резонансных панелей (в) перфорационных отверстий, расстояния между ними, толщины наполнителя и других факторов удается изменять положение максимума звукопоглощения на оси частот, что весьма удобно при акустической настройке студий; панели, резонирующие на нижних частотах, например листы гладкой фане- ры, сухой штукатурки, древесно-стружечные плиты. Коэффициент звукопоглоще- ния а этих конструкций максимален в области частот 100... 300 Гц (рис. 4.18,в) И смещается в сторону низших частот при увеличении воздушного промежутка между панелью и поверхностью стены (потолка). Большинство выполняемых из дерева или фанеры звукорассеивающих конструкций (полуколонны, пилообраз- ные членения стен, потолка и т. п.) также обладает наибольшим звукопогло- щающим действием в низкочастотной области диапазона слышимых частот. Звукопоглощающие конструкции с разными акустическими характеристика- ми размещают по возможности равномерно на поверхностях студии, что спо- собствует повышению диффузности звукового поля. Для этого применяют так- же звукорассеивающие конструкции, частично размещая их на боковых стенах (полуколонны, различной формы выпуклые поверхности), но в основной массе на потолке. Полы в радиовещательных студиях обычно паркетные, при необходимости частично покрываются ковром. В телевизионных студиях в последние годы ши- роко используют наливные полы, которые удобны в эксплуатации и не создают Шума при движении камер. Пример акустической обработки поверхностей большой музыкальной студии доказан на рис. 4.19,а, б, в, г, д, где 1 — конструкция из декоративных реек с размещенным за ними звукопоглотителем; 2 — пилообразная конструкция из древесно-стружечной плиты (ДСП); 3— щит из ДСП или деревопли гы, укреп- ленный на откосе от стены, 4 — поверхность торцевой стены, оштукатуренная- дод «шубу»; 5 — ДСП или деревоплиты, расположенные по периметру нижней части стен студии с размещенным за ним поглотителем На этом же рисунке изображены примеры выполнения звукорассеивающего потолочного щита из ДСП (рис. 4 19,е), щита из ДСП (рис. 4.19,ж), к задней поверхности которого дрикреплен обернутый стеклотканью и металлической сеткой звукопоглотитель, и пилообразной звукорассеивающей конструкции (рис. 4 19,з), выполненной из ДСП или деревоплиты На рис. 4 20 дан пример акустической обработки поверхностей речевой сту- дии, где 1 — фанера гладкая без заполнителя; 2— фанера гладкая с заполните- лем; 3— фанера перфорированная с заполнителем; 4 — столярная плита; 5 — щиты из реек с заполнителем; 6 — окно в аппаратную; 7 —дверь в студию. Для оперативного изменения времени реверберации в музыкальных и ли- тературно-драматических студиях используют «механические» способы варьиро- вания фонда звукопоглощения. К ним относятся: 138
Рис. 4.19. Акустическая обработка поверхностей большой музыкальной студии (а, б, в, г, д) и примеры выполнения звукорассеивающих (,е, з) и звукопоглощающих [ж] конструкций
b 7 0 12 3" ।—।—j—i Ct) /-□ 2S Рис. 4.20. Акустическая обработка поверхностей (а) и потолка (б) речевой студии поворотные прямоугольные щиты, укрепляемые на поверхностях помещения, при их вращении (повороте) либо открывается доступ к звукопоглощающему материалу, либо этот материал закрывается отражающей звук поверхностью щитов; разнообразные по размеру валики с намотанным на них звукопоглощающим материалом (различного рода драпировки, с помощью которых прикрываются либо открываются звукоотражающие поверхности стен); раздвижные панели, изменяющие площадь поверхности того или иного зву- копоглощающего материала; поворотные колонны, каждая половина поверхности которых обработана своим звукопоглощающим материалом. 4.9.3. ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ СТУДИЙ ОТ ВНЕШНИХ ШУМОВ Допустимый уровень звукового фона в студии (около 20 фон) обеспечива- ется применением специальных конструкций ограничивающих ее поверхностей. Входы в студии оборудуются тамбурами глубиной не менее I м, все внут- ренние поверхности которых облицовываются эффективными звукопоглотителя- ми. В проемах устанавливаются две двери с массивными полотнами многослой- ной конструкции. Полотна имеют герметизирующие прокладки, обеспечиваю- щие плотное их прилегание к дверным коробкам. Конструкция притворов сту- дийных дверей показана на рис. 4.21, где 1 — дверное полотно; 2— бруски двер- ной коробки; 3 — дубовая облицовка коробки; 4 — уплотнение (минеральный войлок); 5 — наличник; 6 — на- Рис. 4.21, Конструкция притворов студий- ных дверей кладка; 7— скоба; 8-—наклад- ка; 9, 10—губчатая резина; 11— прорезиненная ткань. Смотровые окна между студией и аппарат- ной имеют трехслойную конструк- цию из толстых стекол толщи- ной 6 ... 9 мм. Все стекла изоли- рованы по периметру прокладка- ми из профильной резины, обес- печивающими их плотное, без малейших щелей, прилегание к рамам. Все вентиляционные каналы студий облицовываются внутри звукопоглощающим материалом. Предусматриваются глушители, обеспечивающие эффективное сни- жение шумов, обусловленных ра- ботой моторов вентиляторов. Стены студий значительной толщины (обычно из кирпича) 140
Рис. 4.22. Защита студийного помещения от проникновения структурных шумов: а — пла- вающий пол; б — подвесной по- толок позволяют обеспечить высокую звукоизоляцию. Используют также многослойные ограждения с упругими прокладками. Для защиты студий от структурных звуков, распространяющихся по конст- рукциям здания, часто используется схема, получившая название «коробка в ко- робке». Студия при этом имеет отдельный фундамент, на котором монтируются ее стены, образующие внутреннюю «коробку». На расстоянии 200... 500 мм от нее сооружается внешняя «коробка», поверхности которой могут являться как внешними, так и внутренними стенами здания. Подобное двойное ограждение обеспечивает высокую звукоизоляцию от воздушного шума и эффективно снижа- ет структурные звуки. Иногда внутренняя «коробка» не имеет отдельного фун- дамента, а подвешивается на пружинах или резиновых амортизаторах. На рис. 4.22 дан пример выполнения плавающего пола (а) и подвесного потолка (б). Здесь 1 — деревянная лага; 2 — упругая прокладка; 3 — пружина; 4 — паркет; 5 — асфальт; 6 — монолитное железобетонное перекрытие; 7 — пру- жинная подвеска; 8 — прокладки; 9 — штукатурка по сетке; 10 — мат из асбе- стовой крошки (отходы в марле); 11 — каркас из круглого железа диаметром 25 мм. 4.10. АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ В ПОМЕЩЕНИЯХ 4.10.1. ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ РЕВЕРБЕРАЦИИ Нормативными документами предусмотрены два метода изме- рения времени реверберации, отличающиеся видом испытательно- го сигнала. Согласно первому из них (рис. 4.23,а) широкополос- 141
м Рис. 4.23. Структурная схема установки для измерения времени стандартной ре- верберации (а) и диаграммы поясняющие вычисление значения Тр первым (б) и вторым (в) методом ный шум с генератора ГШ проходит через октавный или 1/3-ок- тавный полосовой фильтр ПФ, далее он поступает на усилитель мощности УМ и через выключатель ВК на ненаправленный излу- чатель Гр, размещенный в студии. Излученный в студии шумовой сигнал фиксируется измерительным микрофоном ИМ и после уси- лителя МУ поступает на аналогичный набор полосовых фильтров и самописец С. Если до момента времени t0 выключатель замкнут, то на ленте самописца (вид слева) записывается стационарный сигнал постоянного уровня, принимаемого условно за 0 дБ (рис. 4.23,6). Видные на ленте флуктуации относительного этого нулевого уровня объясняются природой испытательного сигнала. При размыкании выключателя в момент t0 начинается процесс ре- верберационного спада уровня звукового давления до значения, определяемого уровнем звукового фона в студии. Этот процесс аппроксимируется прямой линией, и при известной скорости дви- жения ленты самописца по этому графику определяется временной интервал т, в течение которого уровень звукового давления умень- шается от —5 дБ до —35 дБ, т. е. на 30 дБ. При этом искомое значение 7’р=2т. Процедура измерения последовательно повторяется для всех октавных или 1/3-октавных полос шума в диапазоне частот 125... ...4000 Гц путем выбора соответствующего полосового фильтра и для нескольких положений измерительного микрофона в студии. Полученные результаты усредняют. 142
Второй метод измерения величины Тр основан на использова- нии импульсного испытательного сигнала (см. рис. 4.23,а). Чаще всего применяют выстрелы из стартового пистолета ПС или искро- вой разряд. Импульсный отклик студии на такой сигнал фикси- руется измерительным микрофоном усиливается МУ и затем за- писывается на магнитофон М. Каждый записанный сигнал фикси- руют на ленте самописца; подключение различных полосовых фильтров позволяет определить время реверберации в отдельных частотных полосах. Сделанная запись обрабатывается в лабораторных условиях с помощью той же аппаратуры, что и в первом методе. До момента времени t\ (рис. 4.23,в) на ленте фиксировался уровень звукового фона студии. В момент выстрела t\ уровень резко возрос, а затем начался процесс реверберационного спада. Искомое значение Тр рассчитывается так же, как и ранее. В последнее время для оценки времени реверберации помеще- ния широко используют аппаратуру с применением микропроцес- соров. С их помощью время реверберации измеряется в автомати- ческом режиме, полученные результаты выдаются сразу в цифро- вой форме (например, анализатор 4418 фирмы «Брюль и Къер»). 4.10.2. ОЦЕНКА ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ КРИТЕРИЕВ АКУСТИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА ПОМЕЩЕНИЙ Напомним (§ 4.7), что дополнительные критерии оценок аку- стического качества помещений основаны на анализе его импуль- сного отклика. При этом в качестве сигнала, возбуждающего зву- ковое поле, используют импульсы взрывного типа, например воз- никающие при холостом выстреле из ружья или пистолета. Реже для этого применяют искровые разряды или другие сигналы. За- писанный на магнитную ленту сигнал импульсного отклика поме- щения вводится в ЭВМ, с помощью которой рассчитываются кри- терии: четкость, прозрачность, гулкость, пространственное впечат- ление и др. Заметим, что испытательные сигналы взрывного типа широкополосные (рис. 4.24,6), что не позволяет выявить зависи- мость упомянутых критериев от частоты. Эта зависимость имеет существенное значение, так как применяемые в студии звукопогло- щающие и звукорассеивающие конструкции частотно-зависимы. Узкополосный измерительный сигнал формируют с помощью установки, изображенной на рис. 4.24,а. Ее передающий тракт со- держит генератор белого шума ГШ, набор 1/3-октавных полосовых фильтров ПФ, частотный модулятор ЧМ, генератор звуковой ча- стоты ГН, электрокоммутатор ЭК, усилитель мощности УМ, гром- коговоритель Гр и систему управления СУ. Тональный сигнал с выхода ГН (его частота устанавливается в пределах от 200 до 4000 ...5000 Гц) модулируется по частоте полосами белого шума шириной в 1/3 октавы. Из полученного таким образом ЧМ-коле- 143
Студия -АДве октавы о- ~3- -70 - -2J0 250 500 I 2000 I 8000 I 5,Гц 7000 4000 76000 0) Рнс. 4 24. Структурная схема изме- рительной установки для оценки до- полнительных критериев акустическо- го качества помещения (а) и спектр сигнала взрывного типа (б) бания электрокоммутатором вырезаются импульсные посылки дли- тельностью 10 мс с временным интервалом следования, превы- шающим время реверберации исследуемого помещения. Далее этот импульсный сигнал усиливается и излучается в помещение. Приемная часть установки содержит измерительный микрофон ИМ, микрофонный усилитель МУ, логарифмирующее устройство ЛУ, запоминающий осциллограф 30, магнитофон М, аналого- цифровой преобразователь АЦП, ЭВМ, необходимую для обработ- ки результатов измерений в лабораторных условиях после их за- писи на магнитную ленту, и цепь управления и синхронизации с выключателем ВК- Для получения стабильных результатов производится усредне- ние по меньшей мере пяти реализаций импульсных откликов в каждой точке расположения ИМ. Энергетические критерии каче- ства помещения вычисляются с помощью ЭВМ. t Типичная зависимость изменения энергии Е (/)= f р^в (t)dt импульс- о кого отклика р3в(0 помещения во времени t (рис. 4.25,а) носит нарастающий характер, достигая 1 при 1,5 с. Здесь в качестве испытательного сигнала выбрана импульсная посылка, сформи- рованная из ЧМ колебания с несущей частотой 250 Гц. На 144
Рис. 4.25. Зависимости изменения энергии импульсного отклика помещения (а) и- уровня звукового давления (в) во времени, а также критерия «пространственное впечатление» от частоты (б) о -10 —20 О 40 80 120 160 200 t,MC О 40 80 120 160 200 t,MC рис. 4.25,6 приведена частотная зависимость критерия «простран- ственное впечатление», полученная для радиовещательной студии объемом 4800 м3. В табл. 4.3 представлены результаты оценки дополнительных энергетических критериев для трех музыкальных студий, одна из которых (№ 3), по мнению звукорежиссеров, имеет неудовлетво- рительные акустические характеристики, и концертного зала. Дан- ные усреднены по всем точкам расположения измерительного мик- рофона. В качестве испытательного сигнала использовались выст- релы стартового пистолета. Значение Еоо подсчитывалось за ин- тервал времени 1,5 с, считая с момента поступления в точку из- мерения сигнала прямого звука. Зависимости, показывающие изменение уровня импульсного от- клика помещения во времени (рис. 4.25,в), позволяют получить Таблица 4.3 Помещение Объем, м3 Время ре- вербера- ции, с, на частоте 1 кГц Четкость, дБ Прозрач- ность, дБ Гулкость, дВ Простран- ственное впечатл е- ние, дБ Студия № 1 7800 1,9 -6,9 —3,0 5,9 ~1,3 Студия № 2 4800 1,9 —6,2 —2,9 5,0 0,5 Студия № 3 9000 2,1 —8,5 —5,0 7,4 —4,1 Концертный зал 16 000 2,3 —7,0 —2,1 6,0 10—6697 145
дополнительную информацию о структуре отзвука помещения. Сигналом, возбуждающим отклик, служили импульсы малой дли- тельности, вырезанные коммутатором из ЧМ колебаний с разными несущими частотами Fq. Здесь 1 — группа первых (полезных) от- ражений, обогащающих звучание; 2, 3 и 4 — группы более поздних отражений, приводящие к резкому повышению уровня. Если эти энергетические всплески отстоят друг от друга на значение тпор. превышающее 50 мс, то при слуховом восприятии они рождают эффект, известный как «порхающее эхо». Это явление—акустиче- ский дефект студии и может быть устранено соответствующим подбором и размещением звукопоглощающих материалов. 4.10.3. ИЗМЕРЕНИЕ ЗВУКОИЗОЛЯЦИИ ПЕРЕГОРОДОК При измерении исследуемую перегородку 2 размещают в прое- ме между двумя реверберационными камерами (рис. 4.26). Для исключения связи по контуру перегородка по периметру монтиру- ется в проеме через упругие виброизолирующие прокладки 1. В од- ной из камер, называемой помещением высокого уровня ПВУ, излучается Гр последовательно сигнал в виде 1/3-октавных шумо- вых полос со среднегеометрическими частотами 100, 125,..., 2500, 3150 Гц. Для каждой 1/3-октавной полосы определяются усреднен- ные по объему ПВУ уровни звукового давления Nai- Одновремен- но в смежной камере — помещении низкого уровня ПНУ — также определяются усредненные по объему значения N32- Звукоизоля- ция перегородки для каждой 1/3-октавной шумовой полосы нахо- дится по формуле on = Nla-Na2+ 101g (Зп/Л), (4.56) где Sn — площадь перегородки, м2; А — звукопоглощение, м2, в ПНУ. Измерительные микрофоны в реверберационных камерах располагают на вращающихся штативах, а сами измерения вы- полняют в автоматическом режиме с помощью анализатора 4418 фирмы «Брюль и Къер», в запоминающее устройство которого L----------------- •*----------------------- I Цепьсинхронизации^ _для_ _] "управления движением штативов Анализатор 4418 Рис. 4.26. Схема измере- ния коэффициента звуко- изоляции перегородок 146
предварительно вводят значения 5П и А. Анализатор автоматиче- ски усредняет уровень звукового давления для разных положений перемещаемых микрофонов и вычисляет значения оп по формуле (4.56), выдавая полученные результаты в цифровой форме. 4 10.4. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ Используя реверберационную камеру, измеряют время ревер- берации до (Гр') и после (Гр") внесения туда звукопоглощающего- материала площадью 3. Коэффициент звукопоглощения рассчиты- вают по формуле а= s ( — ТрГ (4-о7> где V — объем камеры, м3. Контрольные вопросы 1. Каково назначение студий? Из каких соображений выбираются их гео- метрические размеры? 2. Что называется спектром собственных частот студий? Как он выглядит? Как влияет на слуховое восприятие? 3. Что называют основным, дополнительным и добавочным фондами звуко- поглощения студии? Как эти величины определяются? 4. Изобразите графически временную структуру реверберационного процесса в помещении. Поясните его особенности. 5. Как выглядит кратковременная корреляционная функция импульсного от- клика помещения? Какие выводы могут быть сделаны из анализа ее формы? 6. Поясните особенности слухового восприятия реверберационного процесса первичного помещения при стереовоспроизведении. 7. Изобразите процессы нарастания и спада звуковой энергии в помещении. Оцените их влияние на слуховое восприятие. 7. Чем определяется длительность процесса реверберации в студии? Как ее можно измерить? 9. Определите понятия: время стандартной реверберации, акустическое от- ношение, эквивалентная реверберация, разборчивость, четкость. 10. Что называется оптимальной реверберацией? Зависит ли эта величина от объема помещения, жанра программы, частоты? Постройте типовые зависи- мости изменения оптимальной реверберации от частоты для речевых и музы- кальных сигналов. 12. Назовите дополнительные критерии акустического качества помещений. Как их можно измерить? 13. Чему равен допустимый уровень звукового фона в студии? Как обеспе- чивается звукоизоляция студий от внешних источников шума? 14. Каковы оперативные методы изменения реверберации в студнях? 15. Какие акустические измерения можно выполнить в реверберационной ка- мере, в заглушенной камере? Нарисуйте схемы соответствующих эксперимен- тальных установок н поясните суть этих измерений. 10* 147
Глава 5. СИСТЕМЫ ОЗВУЧЕНИЯ И ЗВУКОУСИЛЕНИЯ 5.1. НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМ ОЗВУЧЕНИЯ И ЗВУКОУСИЛЕНИЯ Системы озвучения и звукоусиления представляют собой сово- купность усилительных и электроакустических устройств, предназ- наченных для воспроизведения звукового сигнала и обеспечиваю- щих хорошую слышимость на достаточно большой площади как в закрытых помещениях, так и на открытых пространствах. Звуко- усиление применяют тогда, когда мощность первичного источника •сигнала (оратора, певца, музыканта и т. п.) недостаточна для создания необходимого уровня сигнала на местах, занятых слу- шателями. В закрытых помещениях с нормальными акустически- ми условиями (отсутствие акустических дефектов помещения, не- высокий уровень шума) звукоусиление, как правило, требуется при объемах свыше 2000 м3 и при расстояниях до слушателей свы- ше 25 м. В переглушенных помещениях и при высоком уровне шу- мов звукоусиление может понадобиться и при меньших объемах и расстояниях. Для передачи на открытом воздухе всегда приме- няют звукоусиление. Система звукоусиления отличается от системы озвучения нали- чием акустической обратной связи, обусловленной тем, что микро- фон, принимающий сигнал для усиления, находится в звуковом поле громкоговорителей, излучающих усиленный сигнал. Поэтому система звукоусиления потенциально неустойчива и при некоторых условиях может перейти в режим генерации. В зависимости от расположения громкоговорителей по отношению к озвучиваемой площади системы озвучения и звукоусиления подразделяют на со- средоточенные, зональные и распределенные. 5.2. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СИСТЕМАМ ОЗВУЧЕНИЯ И ЗВУКОУСИЛЕНИЯ В зависимости от назначения (высококачественное усиление речи и музыки, озвучение улиц парков, площадей, усиление сиг- налов оповещения в условиях повышенных шумов и т. п.) системы озвучения и звукоусиления должны удовлетворять не только об- щим требованиям (полоса воспроизводимых частот, частотные и нелинейные искажения), но и некоторым специальным. В частно- сти, система озвучения и звукоусиления на озвучиваемой площади должна обеспечить необходимый уровень звукового поля (акусти- 148
ческий уровень), допустимую неравномерность его, слитность зву- чания, локализацию источников звука, понятность речи. Необходимый уровень звукового поля Na зависит от назначе- ния систем озвучения и звукоусиления. Высококачественные си- стемы работают при малых уровнях шума (40...45 дБ). В таких системах максимальный акустический уровень Na определяется из условия естественности звучания первичных источников сигна- ла. Поэтому при воспроизведении музыкальных программ необхо- димо обеспечить на местах слушателей Na = 90...94 дБ (такой уровень развивает симфонический оркестр в (10... 12)-м рядах партера), а при усилении речи — 80...86 дБ, что примерно соот- ветствует акустическому уровню, создаваемому оратором на рас- стоянии 1... 1,5 м. В тех случаях, когда система озвучения должна создавать лишь музыкальный фон (например, в парках и других местах мас- сового отдыха), который не должен мешать нормальному разгово- ру, акустический уровень необходимо ограничить 65... 75 дБ. Не- обходимые акустические уровни для речевых передач определяют- ся понятностью речи (см. § 5.6), вследствие чего их не нормируют. Неравномерность звукового поля ANa— разность между мак- симальным и минимальным акустическими уровнями на озвучи- ваемой площади. Неравномерность звукового поля зависит от двух факторов: распределения уровней прямого звука и интерфе- ренцией звуковых волн, приходящих от разных излучателей. В ре- зультате акустический уровень на всей озвучиваемой площади имеет разное значение. При воспроизведении музыки принимается предельное значение ANa^6 дБ, при воспроизведении речи ANa^7 5^8 дБ. Слитность звучания — отсутствие заметного или мешающего эхо. Эхо может появиться, если к слушателю будут приходить не- сколько звуковых сигналов с запаздыванием во времени. Для му- зыкальных передач эхо не должно быть заметно. Для речевых пе- редач эхо может быть заметно, но не должно снижать понятности речи. Слитность звучания обеспечивается определенными соотно- шениями уровней прямого и запаздывающих сигналов с разным временем запаздывания (см. гл. 2). Локализация источников звука — слуховое ощущение местона- хождения кажущегося источника звука. Наилучшее восприятие звучаний получается при совпадении зрительного образа со слу- ховым. 5.3. СОСРЕДОТОЧЕННЫЕ СИСТЕМЫ Сосредоточенными называют системы, в которых звук к слу- шателю приходит как бы из одной точки пространства. Все гром- коговорители располагаются в одном месте на небольшом расстоя- нии друг от друга. Если озвучивается зал театра или концертный 149
Рис. 5.1. Размещение громкоговори- телей над сценой (а) и на стенах (б) при озвучении помещения сосредото- ченными системами зал, то громкоговорители могут располагаться над сценой (рис. 5.1,а), по бокам ее (рис. 5.1,6) или в центре помещения. Сосредоточенные системы обеспечивают наилучшее соответст- вие зрительного и звукового образов и поэтому широко использу- ются при стереофоническом звукоусилении. Их применяют при звукоусилении речевых и музыкальных сигналов на открытых про- странствах и в закрытых помещениях. К особенностям этих си- стем относится трудность обеспечения малой неравномерности звукового поля на озвучиваемой площади, когда ее размеры ве- лики. Рупорные системы. Рупорные громкоговорители могут иметь прямоугольное и круглое выходное отверстие. Пространственная характеристика направленности рупорного громкоговорителя до- статочно хорошо аппроксимируется эллипсоидом вращения, вер- шина которого находится в рабочем месте излучателя. Диаграмма направленности громкоговорителя с прямоугольным сечением ру- пора в плоскостях, параллельных длинной и короткой сторонам выходного отверстия, различна: шире в плоскости, параллельной короткой стороне. Диаграмма направленности рупорного громко- говорителя с круглым выходным отверстием одинакова во всех плоскостях. В полярных координатах, центр которых совмещен с вершиной эллипса, характеристика направленности громкоговори- теля с круглым выходным отверстием имеет вид £) (0) _ (1 ~ g2)cos6 1 — ег cos 9 (5-1) где е — эксцентриситет аппроксимирующего эллипса. Рассмотрим распределение акустических уровней на площади, озвучиваемой рупорным громкоговорителем. Расположим громко- говоритель на высоте h над озвучиваемой поверхностью и напра- вим его рабочую ось на наиболее удаленную точку поверхности А, расположенную на расстоянии г0 от центра выходного отверстия громкоговорителя (точка О). Эллиптическая диаграмма направленности громкоговорителя в вертикальной плоскости (рис. 5.2) построена в полярных коорди- натах с центром в точке О по формуле r=r0D(8) для е=0,9 и 150
рис 5.2. Эллиптическая диаграмма направ- ленности громкоговорителя в вертикальной плоскости озвучиваемой площади в форме эллипса. Поверхность диаграммы направленности рупора есть поверх- ность равных звуковых давлений (например, равных р1Пд), поэтому на протяжение всей кривой назем- ного эллипса акустические уровни будут одинаковыми и равными N3a Внутри площади надземного эл- липса уровни будут больше. Вне зоны озвучения, в том числе и на участках, лежащих между наземным эллипсом и проекцией точки подвеса громкоговорителя на озвучиваемую поверхность, аку- стический уровень будет меньше, чем в удаленной точке А, т. е. это будет необслуживаемая зона. Существует точка (в данном случае В), в которой акустический уровень Л^ав будет максималь- ным и неравномерность уровней звукового поля в пределах озву- чиваемой площади ANa—Nas—NaA- При увеличении высоты под- веса громкоговорителя h уменьшается и неравномерность звуко- вого поля, однако при этом уменьшается и площадь наземного эллипса. Громкоговорители с прямоугольным рупором имеют разные характеристики направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Эти характеристики также могут быть аппроксимиро- ваны эллипсами с эксцентриситетами соответственно ев и ег. При этом неравномерность звукового поля будет определяться харак- теристикой направленности в вертикальной плоскости, а размеры наземного эллипса — характеристиками направленности как в вер- тикальной, так и в горизонтальной плоскости. Если поверхность озвучения сложной формы, то неравномер- ность озвучения определяют методом координат (рис. 5.3). При этом вершину эллипса помещают в центре координат, ось и сов- мещают с большой осью эллипсоида вращения, ось w — с про- дольной осью выходного отверстия рупора, а ось v — с попереч- ной. Звуковое давление, создаваемое рупорным громкоговорите- лем в произвольной точке с координатами и, w, v: P3S = Api« / ("2 + V2 1 — er2 (5.2) где p3Bi — звуковое давление на расстоянии I м от рабочего цент- ра излучателя. Обычно координаты точек, в которых определяется звуковое давление, проще задавать в системе х, у, z. Начало координат 151
Рис. 5.3. Преобразование системы координат при расчете звуковых по- лей Рис. 5.4. Диаграмма, поясняющая рас- чет озвучения плоской поверхности звуковой колонкой (точка О') этой системы размещают в горизонтальной плоскости, принятой за нулевую при отсчете высоты, ось О'х совмещают с проекцией акустической оси громкоговорителя на горизонтальную плоскость. Как правило, поле рассчитывают на высоте hc голов слушате- лей. Для сидящих слушателей она принимается равной 1,2 м, а для стоящих— 1,6 м. Координаты точек а(х, у, z), расположенных в плоскости ушей слушателей, в координатной системе и, w, v оп- ределяются выражениями lX I /;2 и = X cos а -4- h sin а = - (Л2-|-Л2 » ="у, (5.3 ) , h(x— I) W = X sin а — h COS а = ~ , Vl2 — h2 где h — высота подвеса громкоговорителя над головами слушате- лей; l — hctga. Из-за сравнительно низких параметров качества рупорные громкоговорители применяют в основном для передачи речи. Звуковые колонки. Для озвучения больших площадей часто удобно применять излучающие устройства, обладающие в верти- кальной плоскости значительно большей направленностью, чем в горизонтальной. Звуковые колонки и являются такого рода излу- чателями. В горизонтальной плоскости направленность звуковой колонки (см. гл. 3) практически не отличается от направленности одиночного громкоговорителя того же типа. Однако характеристи- ка направленности цепочки громкоговорителей в вертикальной 152
плоскости, значительно обостряется из-за интерференции излуче- ний отдельных громкоговорителей. Пространственная характеристика направленности звуковой колонки аппроксимируется половиной эллипсоида вращения. В точке с координатами и, и, w звуковой колонкой создается зву- ковое давление = + (5.4) где Рзвь ев, ег имеют те же значения, что и для рупорного громко- говорителя. Значения ев и ег приводятся в справочниках. Напри- мер, для звуковой колонки типа 10КЗ-2 ев = 0,97; ег = 0,9, а для 25КЗ-2 ев = 0,976 и ег —0,9. Как и для рупорного громкоговори- теля, точки па озвучиваемой поверхности задают в системе коор- динат х, у, z, а к координатам и, w, v переходят с помощью фор- мул (5.3). Расположим звуковую колонку на высоте h над озвучиваемой (горизонтальной) поверхностью и акустическую ось направим на удаленную точку А (рис. 5.4). При этом наклон акустической оси составит а= arctg (h/l), где I — расстояние между проекцией точ- ки подвеса колонки на горизонтальную плоскость (точка О) и удаленной точкой А. Озвучиваемая площадь, как и для рупорного громкоговорителя, будет ограничена контуром в форме эллипса. Акустические уровни на контурной линии равны Nsa, а на озву- чиваемой поверхности превышают это значение. В зависимости от высоты подвеса и угла наклона звуковой ко- лонки к озвучиваемой поверхности можно получить разное значе- ние акустического уровня под звуковой колонкой (в точке О). Звуковую колонку можно расположить так, чтобы акусти- ческие уровни в точках О и А были равны (2 на рис. 5.4). В этом случае высота подвеса hml^l—е2в, а неравномерность звукового поля ANa = 101g2е2в. Так как для большинства звуковых колонок ев = 0,97... 0,98, то й»0,25/ и ANa«3 дБ. Максимальный акусти- ческий уровень, равный Na.„aKC=Na^+3 дБ будет находиться в середине наземного эллипса (точка В). При уменьшении высоты подвеса уровень звука под колонкой будет больше, чем в удаленной точке А' (/на рис. 5.4), а при уве- личении h— меньше (3 на рис. 5.4). Первый вариант преимущест- венно применяют в системах озвучения, третий — при звукоусиле- нии, когда под излучателем расположен источник звука. При озвучении открытых пространств одним из требований является локализация звукового поля. Стремятся снизить уровень звукового поля за пределами озвучиваемой зоны. Необходи- мо, чтобы разность хода звуковых волн удаленных друг от друга громкоговорителей и разность уровней звука, создаваемых ими, обеспечивали незаметность эха. Эхо, образуемое за счет отраже- 153
ний от различных строений, также можно нейтрализовать путем «подзвучивания» дополнительными излучателями с временной за- держкой, определяемой расстоянием до громкоговорителя. Переход от сосредоточенной системы озвучения к зональной или распределенной также помогает снизить эхо. Радиальный громкоговоритель. Это групповой излучатель с вер- тикально ориентированной осью симметрии поля излучения. В вер- тикальной плоскости радиальные громкоговорители имеют диаг- рамму направленности грушевидной формы (максимум излучения получается под углом а=60...80° к вертикали). В горизонтальной плоскости диаграмма не направлена. Установим радиальный громкоговоритель на высоте h над оз- вучиваемой поверхностью (рис. 5.5). Если считать радиальный громкоговоритель ненаправленным излучателем, то давление под громкоговорителем (точка О) и в точке А озвучиваемой поверхно- сти определяется следующими выражениями: PlB = PlJV, (5.5) Pc2B=P2SBi/(h2 + '2). (5.6) где pi имеет то же значение, что и для рупорного громкоговори- теля. При этом неравномерность излучения AMa=101g(l+/2//i2). (5.7) В действительности из-за грушевидной диаграммы направлен- ности неравномерность звукового поля, создаваемого радиальным громкоговорителем, в интервале а=70...80° имеет на 5...7 дБ меньшее значение. Звуковое поле, создаваемое одним громкоговорителем, опреде- ляется по формуле (5.2) для рупорного громкоговорителя (5.4) для звуковой колонки (5.5) и (5.6) для радиального громкогово- рителя. Для более сложных сосредоточенных систем результирующее звуковое давление, создаваемое всеми громкоговорителями в ис- следуемой точке Т’зве = /^1+^2+ - • (5-8> Неравномерность озвучения АМа = 20^(рзвгмакс/Рзвгмин), где РзвЕмакс и Рзвгмин — максимальное и минимальное давления. 5.4. ЗОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ Зональными называют такие системы, в которых озвучиваемая площадь разбивается на ряд зон, в каждой зоне звуковое поле создается отдельными громкоговорителями (или группой близко 154
Рис. 5.5. Диаграмма, поясняющая расчет озвучения плоской по- верхности радиаль- ным громкоговорите- лем Рис. 5.6. Диаграмма, поясняющая расчет озвучения площади зональной системой тельных громкогово- рителей, размещенных над балконом расположенных громкоговорителей). Эти системы обычно приме- няют для озвучения больших площадей открытых пространств: парков, производственных территорий, улиц (рис. 5.6). Однако зо- нальные системы можно использовать в комбинации с сосредото- ченной системой, когда последняя не позволяет обеспечить требуе- мый уровень и заданную неравномерность звукового поля на всей площади, занятой слушателями, например в залах сложной фор- мы места слушателей, расположенные на балконе, оказываются иногда экранированными от звукового поля громкоговорителей сосредоточенной системы (рис. 5.7). В зональных системах звуковое поле создается звуковыми ко- лонками, радиальными или рупорными громкоговорителями. Гром- коговорители располагают так, чтобы их зоны озвучения частич- но перекрывались и покрывали всю озвучиваемую поверхность. Наиболее удобным для зонального озвучения больших площа- дей являются радиальные громкоговорители, которые устанавли- вают в центрах зон (рис. 5.6). При расчете неравномерности зву- кового поля учитывают, что уровень поля на границе соседних участков за счет суммирования излучения от двух громкоговори- телей повышается на 3 дБ (5.8) по сравнению с акустическим уровнем, создаваемым одним громкоговорителем. В то же время в углах суммируется излучение четырех громкоговорителей и аку- стический уровень за счет этого повышается на 6 дБ. Вдоль гра- ницы зоны акустический уровень почти не меняется. Внутри каж- дой зоны уровень можно определить по выражениям (5.5) и (5.6) с учетом реальной характеристики направленности. Зная распре- деление звуковых давлений в зоне и на ее границе, можно оценить неравномерность озвучения. В зональных системах возможно появление эха, создаваемого отдельными громкоговорителями. Эхо может искажать звуковос- произведение, поэтому для отдельных наиболее характерных об- ластей зон рассчитывают время запаздывания между сигналами 155
ближнего и дальнего громкоговорителей и разность их уровней. Обычно такую проверку проводят при использовании звуковых ко- лонок и рупорных громкоговорителей. 5.5. РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ Распределенными называют системы, в которых звук к слуша- телю приходит от всех или большей части громкоговорителей с примерно одинаковым уровнем. Ряд громкоговорителей, располо- женных так, что их акустические оси взаимно параллельны и на- правлены в одну сторону, образуют так называемую одномерную или линейную цепочку. На открытом пространстве такая цепочка образуется из громкоговорителей, установленных на специальных мачтах (рис. 5.8). В закрытых помещениях одномерная цепочка составляется из громкоговорителей, расположенных на одной (рис. 5.9,я) или на двух (рис. 5.9,6) боковых стенах помещения или на потолке в виде одной или двух цепочек. Двумерная распре- деленная система (рис. 5.9,в) образуется громкоговорителями, расположенными по всему потолку. Широкое распространение получили распределенная система кресельных громкоговорителей небольшой мощности (порядка 0,5 Вт), располагаемых в спинках кресел. Уровень звукового поля у слушателя при этом создается в основном своим и соседними громкоговорителями. В рассмотренных распределенных системах слуховой и зри- тельный образы не совпадают. Исключением является одномерная цепочка, располагаемая на передней стенке зала. Распределенные системы применяют при озвучении аллей, при звукоусилении. В ряде случаев комбинируют со- Рис. 5.8. Диаграмма, поясняющая расчет озвучения площади распреде- ленной системой средоточенную и распределенную системы звукоусиления. Распределенные системы при озвучении открытых пространств. Они представляют собой линей- ные цепочки ненаправленных и направленных громкоговорите- лей. Если расстояние г от ли- нейной цепочки ненаправленных громкоговорителей до озвучивае- мой поверхности (рис. 5.8, за- штрихованный участок между линиями 1—1' и 2—2') больше половины расстояния между громкоговорителями 2d (шаг це- почки), то неравномерностью по- ля в направлении, параллельном цепочке (линии 1—Г и 2—2'), 156
Рис. 5.9. Схемы одно- (а, б) и двумерной (е) распределенных систем можно пренебречь, т. е. p3sAi = рзв3 и /2звЛ/ = рзвВ,. В этом слу- чае (r>d) звуковое давление в исследуемой точке Рз» = /’з»1/1'/(2М (5.9> а неравномерность звукового поля в поперечном направлении (на линиях А—А', В—В') ANa=101g(rMaKC/rM„H), (5.10) где p3Bi — давление на расстоянии 1 м от выходного отверстия громкоговорителя; г — расстояние от громкоговорителя до иссле- дуемой точки; гМакс и гМин — расстояние от цепочки громкоговори- телей до дальнего и ближнего краев озвучиваемой поверхности. Следует отметить, что выражение (5.9) справедливо для тех точек поля, для которых расстояние до цепочки г меньше, чем рас- стояние до конца цепочки. На краю цепочки звуковое давление снижается на 3 дБ. Если высота подвеса громкоговорителя h^>d, то условие r^>d будет выполняться для поверхности, ближний край которого нахо- дится под цепочкой (Zi = 0), и формула (5.10) принимает вид ANa = 51g(l+&W), (5.11) где b — l2—li — ширина озвучиваемой зоны. Если в качестве излучателей используют направленные громко- говорители, например звуковые колонки, расположенные верти- кально, то расчет линейной цепочки можно свести к расчету це- почки эквивалентных ненаправленных громкоговорителей, пред- варительно деформировав масштабы по осям О — О'(2d) (рис. 5.8) соответственно в 1/yi—е2в и 1/yi—е2г раз. 157
С учетом этого при расчете звукового давления формулу (5.9) вместо d следует подставить d' = d^\—е2г, а в формуле (5.10) значения г заменить r'=^l2-\-h21 (1—е2г), где I — расстояние от цепочки громкоговорителей до исследуемой точки (рис. 5.8). Большие зоны, где проявляется эхо, могут вознкнуть при озву- чении длинных улиц. Их можно избежать, используя метод озву- чения бегущей волной. Для этого между громкоговорителями включают линии задержки, причем время задержки должно быть равно времени прохождения звука между громкоговорителями. При этом звуковые волны будут приходить к следующему гром- коговорителю синхронно с его излучением. Распределенные системы в закрытых помещениях. В закрытых помещениях, как правило, расстояние от озвучиваемой- поверхно- сти до цепочки г (рис. 5.9,а) больше половины шага d, поэтому давление, создаваемое одной цепочкой ненаправленных громкого- ворителей определяется выражением (5.9), а для двух цепочек (рис. 5.9,6) —выражением Лв-Лвт]/’(-+-)’ (5J2) V 2d \ i\ г2 ! тде Г[ и г2 — расстояния от цепочек до исследуемой точки (рис. 5.9,6). Неравномерность озвучения в поперечном направлении опре- деляется как разность уровней под цепочкой и на средней линии помещения. Расчеты показывают, что при высоте подвеса гром- коговорителя h~^d},3b и применении двух параллельных линейных цепочек (Ь— расстояние между цепочками) неравномерность зву- кового поля по ширине помещения будет меньше 1 дБ, а неравно- мерность озвучения по длине помещения при h^d не более 1 дБ. В случае применения одной линейной цепочки неравномерность озвучения определяется по формуле (5.10) и не превышает 3 дБ при /г^0,55&, а при h~^. 1,3& ANa<I дБ. Таким образом, если ши- рина помещения b равна или меньше высоты, целесообразно при- менять одну линейную цепочку громкоговорителей. При этом мож- но обеспечить ANa = 1...3 дБ. Если же ширина помещения в два раза больше его высоты, то для получения такого же значения ANa необходимо применять две параллельные цепочки. При хоро- шо отражающих стенах (коэффициент поглощения менее 0,4) ха- рактеристики звукового поля одиночной цепочки определяются так же, как и в случае двух параллельных цепочек, но в расчет- ные формулы необходимо подставлять удвоенное значение шири- ны помещения. В помещениях больших размеров настенные линейные цепочки ненаправленных громкоговорителей не позволяют обеспечить тре- буемой неравномерности звукового поля. В этом случае применя- ют звуковые колонки. Обычно, если ширина помещения не превы- 158 .
шает 10... 12 м, используют одну настенную цепочку из звуковых колонок малой и средней мощности. Звуковые колонки располага- ют на боковых стенах так, чтобы их акустические оси в случае применения одной цепочки были направлены в противоположную стену помещения (рис. 5.9,я), а в случае применения двух — по продольной оси помещения (рис. 5.9,6). В закрытом помещении высота h цепочки, как правило, больше половины ее шага d, по- этому неравномерность звукового поля определяется лишь нерав- номерностью по ширине помещения. Если применяется одна цепочка звуковых колонок, то давления под цепочкой и в точке будут одинаковы при hivbyi—е2в. В этом случае неравномерность озвучения ANa = 51g(2e2B). Для обеспечения минимальной неравномерности звукового поля опти- мальной является высота h=b^\—е2в. Две цепочки звуковых ко- лонок применяют при ширине помещения 12 ...30 м. При высоте установки колонок h — Q,bb^\—e2B неравномерность звукового по- ля не будет превышать 1 дБ. Решетку ненаправленных громкоговорителей располагают на потолке (рис. 5.9,s). При такой системе расположения громкого- ворителей, когда h~^d (практически это условие всегда выполня- ется), излучаемая звуковая волна близка к плоской. В этом слу- чае неравномерность озвучения не превышает 1 дБ, а звуковое давление на озвучиваемой площади не зависит от расстояния: /?зв = Рзв11/'2ад/5, (5.13) где п — число громкоговорителей; S — площадь решетки громко- говорителей. 5.6. ПОНЯТНОСТЬ И РАЗБОРЧИВОСТЬ РЕЧИ Понятность речи — характеристика, определяющая пригодность тракта для передачи сигналов речи, может быть оценена косвенно через ее разборчивость. Разборчивостью речи называют относи- тельное или процентное количество принятых элементов речи из общего числа переданных по тракту. Различают слоговую, словес- ную и смысловую разборчивость. Между ними существуют стати- стическая взаимосвязь. Принято понятность речи оценивать че- тырьмя градациями: отличная, хорошая, удовлетворительная и предельно допустимая. При отличной понятности слушатель воспринимает речь без переспросов, при хорошей возникает необходимость в переспросах редко встречающихся слов. Частые переспросы являются призна- ком удовлетворительной понятности. Наконец, многократные пере- спросы одного и того же слова или фразы свидетельствуют о пре- дельно допустимой понятности. В табл. 5.1 приведена зависимость, понятности от смысловой и слоговой разборчивости речи. Причи- 159
Таблица 5.1 Разборчивость Понятность, % предельно до- пустимая удовлетвори- тельная хорошая отличная Слоговая 25...40 40...50 50...80 Выше 80 Словесная 75...87 87...93 93...98 Выше 98 ны снижения разборчивости — недостаточное усиление сигнала первичного источника, акустические шумы в помещении и помехи от диффузного звука и от реверберации. В системах озвучения и звукоусиления, используемых для вос- произведения речевых сигналов, необходимо обеспечивать требуе- мую градацию понятности речи. При проведении митингов, соб- раний, передаче информационных программ требуется отличная понятность речи, которая обеспечивается, как следует из табл. 5.1, при слоговой и словесной разборчивости соответственно 80 и 98... 99%. Для передачи служебных сообщений с меньшим объ- емом информации (диспетчерская связь) полная понятность речи получается при слоговой разборчивости около 50%. Следует отме- тить, что в системах озвучения и звукоусиления стремятся обеспе- чить возможно большую разборчивость речи, если это не приво- дит к существенному удорожанию и усложнению системы. Существует непосредственная связь между разборчивостью речи, характеристиками трактов передачи и условиями приема. Эта связь существует в рамках так называемой формантной тео- рии. Частотные свойства артикуляционного аппарата человека та- ковы, что звук речи произносится с усилением некоторых его спек- тральных составляющих. На рис. 5.10 показан спектр звуков В и Т русской речи. Область концентрации энергии в частном диапа- зоне при произнесении какого-либо звука речи называется фор- Рис. 5 10 Спектры звуковых сигналов Рис 5.11. Интегральные распределе- ния уровней речи (а) и зависимости слоговой и словесной разборчивости от форматной (б) 160
мантой. Каждый звук имеет несколько формант. Расположение их на оси частот зависит от индивидуальных особенностей артикуля- ционного аппарата человека, а также от положения звука в слове, форманты звуков речи заполняют весь частотный диапазон от 150 до 7000 Гц, условно поделенный на 20 полос, в каждой из ко- торых вероятность появления формант одинакова. Такие полосы частот называют полосами равной разборчивости, а суммарная ве- роятность появления формант — формантной разборчивостью. При достаточно большой продолжительности передаваемой ре- чи вероятность появления формант в каждой полосе равной раз- борчивости равна 1/20=0,05. Акустические шумы и другие помехи маскируют форманты, если уровень последних меньше уровня шу- мов и помех. В результате маскировки часть формант не будет восприниматься слухом и разборчивость формант в &-й полосе АА = 0,05^Ф, (5.14) где kff — коэффициент восприятия формант в &-й полосе, зависит от уровня ощущения формант (рис. 5.11,а) £ф = 5Р-5ш, (5.15) где Вр — средний спектральный уровень речи в полосе, равной раз- борчивости; Вш— суммарный спектральный уровень всех шумов и помех в той же полосе. Общая формантная разборчивость в речевом диапазоне частот 20 л = о,о53*фп. ;; (5.16) п=1 Между формантной и другими видами разборчивости сущест- вуют определенные зависимости. Как видно из рис. 5.11,6, слого- вая разборчивость VSa, равная 80%, и словесная Vw, равная 88%, соответствующие (отличной) понятности речи, получаются при формантной разборчивости Уд, равной 0,5, т. е. в этом случае воспринимается половина формант. Исходя из формантного способа определения разборчивости речи, в системе озвучения или звукоусиления необходимо опреде- лить спектральный уровень прямого звука Врс у слушателя и сум- марный спектральный уровень Вш шумов и помех в каждой поло- се равной разборчивости для точек озвучиваемой поверхности с минимальным уровнем прямого звука и максимальным уровнем акустических шумов. Спектральный уровень прямого звука у слу- шателя Bp.c=5p4+QM.C, (5.17) где Вр,м — спектральный уровень речи у микрофона в полосе рав- ной разборчивости (определяется из таблиц); QM.C — индекс уси- ления (индекс тракта) в этой полосе, представляющий разность 11—6697 161
между уровнями звука, создаваемыми громкоговорителем систе- мы звукоусиления у уха слушателя и первичным источником зву- ка на входе микрофона. Для этих же полос спектральные уровни шумов и помех в мес- те слушания Вш = 101£(10°118>-ш+ IO0’18-), (5.18) где Ва.ш — спектральный уровень акустических шумов (определя- ется из таблиц); ВП = ВР.С—21-РЛЛе (5.19) — спектральный уровень помех от речи (самомаскировка речи); = 10Ig5?+^+(50/3)lg7’P, (5.20) lOlgJ? — составляющая диффузных помех (J?—акустическое отно- шение); (50/3) Igfp— составляющая реверберационных помех (Гр — время реверберации); NA — дифракционная поправка. Для упрощения расчетов введено понятие рационального уси- ления, при котором спектральный уровень помех для каждой ча- стоты на 6 дБ выше спектрального уровня акустического шума: Вп—Ва.ш=6 дБ. (5.21) Из (5.18) следует, что при рациональном усилении Вш=В„+1, (5.22) т. е. вклад акустических шумов Ва.ш в общий уровень шумов и по- мех невелик. Поэтому в помещении нецелесообразно применять усиление больше рационального: при этом разборчивость речи су- щественно не увеличивается (уровень ощущения только в пределе может повыситься еще на 1 дБ), а стоимость аппаратуры возра- стает. Рациональный индекс тракта можно определить из выражений (5.17), (5.19) —(5.21): фрац—Ва.ш—Вр.м-]-27—Ns. (5.23) Рациональное усиление, в основном, определяется максимальным значением акустического отношения 5?макс и временем ревербера- ции. Если известны акустические шумы, время реверберации, аку- стическое отношение и рациональный индекс тракта, то можно оп- ределить разборчивость и понятность речи. Для этого по форму- лам (5.17), (5.19) и (5.22) находят уровни речи, а также шумов и помех, а по ним для каждой полосы равной разборчивости по формуле (5.15) определяют уровень ощущения формант Еф. В со- ответствии с полученным значением Еф из рис. 5.11,а находят ко- эффициенты разборчивости k$ и формантную разборчивость А. Слоговая разборчивость определяется по рис. 5.11,6, а соответст- вующая понятность речи — по табл. 5.1. 162
5.7. ЗВУКОУСИЛЕНИЕ Усиление звука применяют для увеличения акустического сиг- нала в условиях, когда из-за недостаточной мощности источника звука (оратор, чтец, солист и т. п.), больших размеров озвучивае- мой поверхности или заглушенного помещения уровень звука в месте расположения слушателя оказывается ниже требуемого. Кроме повышения уровней первичных источников сигнала, систе- ма звукоусиления может обеспечить передачу информации об их расположении в пространстве. Такие системы звукоусиления от- носят к стереофоническим. Обычно стереофонические системы звукоусиления бывают многоканальными. Каждый из каналов на входной стороне имеет группу микрофонов, расположенных у пер- вичных источников сигнала, а выход каждого канала закрепляет- ся за определенной группой громкоговорителей, обычно устанав- ливаемых над сценой (рис. 5.1,а). Например, в большом зале Кремлевского Дворца съездов установлена пятиканальная стерео- фоническая система. Пять групп (по числу каналов) двухполос- ных громкоговорителей мощностью 400 Вт в каждой группе рас- положены над порталом сцены на расстоянии 8 м один от дру- гого. В залах многоцелевого назначения, в которых звукоусиление организуется для разных по типу сигналов (речевых, симфониче- ской, эстрадной, камерной музыки), невозможно обеспечить тре- буемую частотную характеристику времени реверберации архитек- турными приемами. Требования к акустическим свойствам поме- щения определяются характером акустического сигнала. Опти- мальное время реверберации в больших залах для речевого сиг- нала 0,5 ...0,7 с, для музыкальных (в зависимости от жанра) — 1,3... 2,1 с (см. § 4.6). Поэтому в таких залах оптимальные аку- стические условия для различных сигналов создаются специальной системой звукоусиления, которая с помощью устройств искусст- венной реверберации позволяет оперативно изменять время ревер- берации. Такие системы звукоусиления называются амбиофониче- скими. В залах многоцелевого назначения амбиофонические и стереофонические системы звукоусиления работают совместно. Система звукоусиления включает и систему озвучения, но в первой (рис. 5.12) микрофон находится в звуковом поле громко- говорителей. Последнее приводят к появлению акустической об- ратной связи по цепи громкоговоритель — звуковое поле — микро- фон— усилительное устройство — громкоговоритель. В открытом пространстве обратная связь образуется только для прямого зву- ка (рис. 5.12,а), так как уровень интенсивности прямого звука, воздействующего на микрофон, значительно больше уровня интен- сивности отраженного звука. В помещении обратная связь образу- ется и для прямого, и для диффузного (рис. 5.12,6) звука. Рассмотрим работу системы звукоусиления, когда акустиче- 11* 163
Рис. 5.12. Схемы образова- ния обратной акустической связи для прямого (а) и диффузного (б) звука екая обратная связь образуется для прямого звука. В этом случае (рис. 5.12,а) звуковое давление, действующее на микрофон, со- стоит из двух слагаемых: р3в.и.м, создаваемого первичным источни- ком звука, и рзв.г.м, создаваемого громкоговорителем системы озву- чения. Коэффициентом акустической обратной связи называют отно- шение Рзъ.г м/(РЗВ.и м + /’зв.г.м)- (5.24) Эта величина в общем случае комплексная и имеет смысл для си- нусодиальных сигналов: р = рое^ — £0(cos ф+j sin <р). Если усилительная аппаратура вносит фазовый сдвиг фо, то Ф=Фо+<от, где х—Цс— время пробега звука от громкоговорите- ля, находящегося на расстоянии I от микрофона; ы — круговая частота синусоидального сигнала; с — скорость звука. Независимо от значения ф0 фаза в цепи обратной связи может принимать лю- бое значение, определяемое длиной пути звука I и частотой <о. Вследствие этого в рабочем диапазоне звуковых частот обратная связь для одних частот может быть положительной (<р = 0; 2л; 4л;...), а для других — отрицательной (ф=л; Зл;...). При неправильном выборе коэффициента акустической обрат- ной связи система звукоусиления может перейти в режим генера- ции или станут заметными специфические искажения сигнала. Коэффициент передачи первичного сигнала для произвольной точки озвучиваемой поверхности равен отношению звукового дав- ления рзв.г.с, создаваемого громкоговорителем у слушателя, к дав- лению, создаваемому у микрофона источником звука: Кх= --Рзв.г.с/рзв.и.м* Индекс тракта передачи QM.C (см. § 5.6) равен модулю коэффи- циента передачи, выраженному в децибелах: Q,, с = 201g | Кх I = 201g - 201g = Nar.c-Na„,4 (5.25) Рзво Рзво и, как видно из (5.25), определяется разностью между уровнями Na.г.с звукового поля, создаваемым громкоговорителем у слушате- ля, и Ыа.и.м поля, создаваемым источником звука у микрофона. Модуль коэффициента передачи для синусоидального сигнала 164
с учетом (5.24) можно представить в виде = Езъ г.с = ^зв.г.с £зв.г.м = £зв г.с Р = £зв и.м ^зв г.м £зВ.И м р 1 р СзВ.Г м Рчв.г.с £ _ Рзв.Г.С Ро Рзв.г.м Рзв.г.м |/1 — 2Ро COS + Ро2 ’ (5.26) С учетом (5.26) индекс тракта QM.c = 201g|Kx| =Na.r.c—Na.r.M+201g^. (5.27) Разность Na.г.с—Na.r.M зависит от частоты, поскольку с частотой меняется характеристика направленности громкоговорителя. Од- нако эти изменения не очень значительны и во всяком случае мед- ленны. В то же время коэффициент /г = р0У1—2p0cos ср+₽о2 с ча- стотой изменяется сравнительно быстро и регулярно. При частей о / 2пп <р0 \ , тах, для которых 9 = 2-кп. (=------------— , cos у = 1 и т т / ^ = ^макс = Ро/( 1—Ро) , (5.28) /о , 2п -к 1 ®0 \ , а при у = (/« — 1) ти ( !— я----— cos у = — 1 и \ х т / & = &мин = ₽о/1 + ₽о- (5.29) Как видно из (5.28) и (5.29), в системе звукоусиления акусти- ческая обратная связь приводит к неравномерности частотной ха- рактеристики коэффициента передачи: характеристика имеет фор- му гребенки (рис. 5.13), причем интервал между соседними часто- тами (если фазовый сдвиг ф0 с частотой изменяется не слишком быстро) Дсо=юп—соп-1 = 2л:/т или Д/ =1 lx=cll. Неравномерность частотной характеристики индекса тракта, обусловленная наличи- ем акустической обратной связи, определяется из выражения ANa = 201g = 201g 1+Ё2-. (5.30) ^мии 1 Ро Наличие акустической связи вызывает эффект, схожий с явле- нием реверберации. Кратковременный звук, возникающий перед микрофоном и через время т излученный громкоговорителем с меньшим уровнем, снова воздействует на микрофон. Это запазды- вающее и ослабленное повторение начального звука будет снова излучено громкоговорителем и через время т опять дойдет до мик- рофона и т. д. Происходящий процесс похож на реверберационный и называется регенеративной реверберацией. Из-за того, что ча- стотная характеристика индекса тракта будет иметь форму гре- бенки, звук через некоторое время приобретает тональную окрас- ку, тем более заметную, чем больше коэффициент акустической обратной связи. Следует отметить, что этот эффект наступает раньше, чем си- стема переходит в режим генерации. Поэтому можно считать, что 165
Рис. 5.13. Частотная характеристика коэф- фициента передачи системы звукоусиления ^макс-----тг------г\~---- в закрытом помещении \ \ он и ограничивает значение индек- / \ I \ са тракта в системе звукоусиления. / \ / \ В идеальном случае система к __________звукоусиления должна обеспечить и Г । лг । 4^ J во всех местах такой уровень поля, при котором у слушателя создает- п~1 п п+1 ся впечатление, что он находится на оптимальном расстоянии от первичного источника звука. Му- зыкальные передачи лучше слушать на расстоянии 20. ..12 м, а речевые — на расстоянии 1...1.5 м от источника звука. Поскольку в первом случае микрофон устанавливается на расстоянии 2... .. .3 м от оркестра, а во втором — на расстоянии около 0,3 м от выступающего, уровень звукового поля около микрофона будет больше уровня поля около слушателей. С учетом этого оптималь- ное значение индекса тракта для музыкальной передачи Qm С = Na.r.c- м.и.ч = 201g = - (12... 16) дБ, а для речевой передачи QM.c= 201g—^4- = -(10... 14) дБ. Для того чтобы рассматриваемая система звукоусиления рабо- тала устойчиво и регенеративная реверберация не прослушива- лась, коэффициент k ограничивают значением /?маКс = 0,25 (—12 дБ). Индекс тракта (5.27), соответствующий значению 201g k = —12 дБ, называют предельным фм.с.пред. Если уровень, создаваемый одиночным громкоговорителем, в точке расположения микрофона Na.r.M = Na.ro+2Olg/?r(0r), где Na.ro = Na.ro — 201g I (Na го —уровень развиваемый громкогово- рителем на расстоянии 1 м от него; I — расстояние между гром- коговорителем и микрофоном); 7?Г(0Г)—характеристика направ- ленности громкоговорителя (рис. 5.12,а), а /?М(0М)—характери- стика направленности микрофона, учитывающая, что прямой звук от громкоговорителя приходит под углом 0М к оси микрофона, то предельный индекс тракта Qm.с.пред= Na.r.c—Na г0—2Olg7?r(0r)+2Olg/?H(0M)-12. (5.31) Для получения возможно большего предельного индекса трак- та фм.с.пред необходимо уменьшать уровень, развиваемый громкого- ворителем у микрофона. Для этого микрофон и громкоговоритель разносят на максимально возможное расстояние друг от друга и так их ориентируют, чтобы излучение громкоговорителей около 166 ।
микрофона было небольшим, а чувствительность микрофона в на- правлении громкоговорителя была как можно меньше. Обычно в системах звукоусиления применяют остронаправленные микрофо- ны. Если же микрофон находится вне поля действия громкогово- рителей, то акустическая обратная связь отсутствует и отпадает необходимость борьбы с ней. В помещениях уровень диффузного звука обычно значительно превышает уровень прямого, поэтому подбором взаимного распо- ложения громкоговорителей и микрофонов не удается избежать генерации. Если диффузная составляющая Na.« одинакова во всех точках помещения (рис. 5.12,6), то См.с.пред== Qm— 101g5?MaKc—12, (5.32) где QM — индекс направленности микрофона для диффузного зву- ка; 5?Макс — максимальное значение акустического отношения. Если при выбранной системе звукоусиления предельный ин- декс тракта недостаточен для получения требуемого уровня звука у слушателя Na.r.c, то для увеличения фм.с.пред необходимо пони- зить уровень диффузного звука и ослабить его влияние. Для это- го применяют громкоговорители с большим коэффициентом осевой концентрации и остронаправленные микрофоны, а также вблизи микрофона располагают сильно поглощающие поверхности. Таким образом, МОЖНО ПОВЫСИТЬ фм.с.пред на 6... 12 дБ. Предельный индекс тракта зависит от частоты, так как харак- теристики микрофона и громкоговорителей частотно-зависимы. В связи с этим значение QM.c.npe« определяется для всего рабочего диапазона частот. При правильно рассчитанной системе звукоуси- ления частотная характеристика фактического индекса тракта Фм.с.факт должна располагаться между частотными характеристи- ками Рм.с.рац и фм.с.пред- Чем меньше плюсовые отклонения чувст- вительности тракта от средней, тем устойчивей система звукоуси- ления и тем выше средний уровень передачи. Если частотная характеристика (?м.сфакт не укладывается в указанные пределы, то применяют громкоговорители и микрофо- ны с меньшими частотными искажениями или деформируют в нужном направлении частотную характеристику усилительного устройства. Для звукоусиления речи одно из лучших средств против са- мовозбуждения системы—-применение потолочной или кресельной распределительных систем озвучения. Если звуковые колонки установлены на боковых стенах, то для увеличения уровня прямо- го звука оси колонок следует направлять перпендикулярно про- дольной осевой линии помещения. 167*
- • > : 5.8. СИСТЕМЫ ОПОВЕЩЕНИЯ - Системы оповещения — это системы озвучения для передачи информации на железнодорожных и автовокзалах, аэропортах в торговых предприятиях и т. п. Они используются как на открытых пространствах так и в закрытых по- мещениях. В помещениях с высокими потолками применяют как сосредоточен- ные, так и зональные системы озвучения. В обоих случаях рекомендуются на- правленные излучатели. В помещениях с низкими потолками применяют распре- деленные системы. В тех случаях, когда это возможно, следует использовать потолочные системы. При этом влияние отражения от стен уменьшается, что способствует повышению разборчивости. В системах оповещения часто наблюдается высокий уровень шумов, кото- рый может создаваться находящимися в помещении людьми и проникающими извне помехами. Помещения, в которых организуется система оповещения, обычно бывают гулкими, т. е имеют большое время реверберации. В таких по- мещениях публика может составлять значительную часть фонда звукопоглоще- ния. Общее число людей в помещении и их размещение могут существенно ме- няться. В гулких помещениях с большим уровнем шумов обычные системы озвуче- ния не всегда дают удовлетворительные результаты. Это объясняется в основ- ном тем, что для получения нужного превышения уровня шумов требуются излучатели большой мощности, которые, в свою очередь, создают чрезмерно большие реверберационные помехи. Поэтому при проектировании систем опо- вещения в гулких помещениях обычно предусматривают специальные меры В тех случаях, когда слушатели размещаются не по всей площади поме- щения, применяют зональные системы с остронаправленными излучателям^. Это позволяет при том же уровне прямого звука уменьшить общую акустиче- скую мощность и тем самым повысить разборчивость речи При воспроизведении речи в гулких помещениях основная энергия диффуз- ного поля лежит в области сравнительно низких частот звукового диапазона Это обусловлено двумя факторами: максимум энергии речевого сигнала лежит в области 200 ... 500 Гц и время реверберации в таких помещениях сильно воз- растает в области низших частот. Из-эа эффекта маскировки формантная раз- борчивость при этом снижается во всем диапазоне частот. Используя частотную коррекцию, можно понизить мощность излучения в области низших частот и тем в значительной степени увеличивать разборчивость Для этого в электри- ческом тракте устанавливают корректирующие контуры, вносящие затухание 6 дБ/окт, начиная с 500 .. 1000 Гц. 5.9. СИСТЕМЫ СИНХРОННОГО ПЕРЕВОДА При проведении совещаний (конференций, съездов и т п) с многонацио- нальным составом участников возникает необходимость в синхронном переводе речи на несколько официальных языков, называемых рабочими Опыт проведе- ния международных совещаний показывает, что число рабочих языков обычно не превышает 6 ... 8. При построении системы синхронного перевода учитывают, что каждый участник совещания должен иметь возможность прослушать высту- пающего на любом из рабочих языков. Комплекс технических средств, используемый для организации одновремен- ного (синхронного) перевода речей ораторов на несколько языков, называют системой синхронного перевода речей (СПР) (рис. 5 14). Перед оратором установлен микрофон Мо, подключенный к усилителю Уо. С выхода этого усилителя сигнал поступает на головные телефоны переводчи- ка Тп (в кабину переводчика). Переводчик переводит речь выступающего на требуемый рабочий язык и речевой сигнал с выхода микрофона Мп после уси- лителя Уп через коммутационное устройство КУ и каналы связи КС поступает к участникам конференции. 168
Рис 5.14. Упрощенная структурная схема уста- - новки синхронного пере- вода речи Различают два основных вида организации синхронного перевода речей: прямой и двойной. При прямом переводе каждый переводчик должен перево- дить с любого рабочего языка на закрепленный за ним рабочий язык. При этом необходимо большое число переводчиков, знающих несколько языков. В то же время нетрудно подобрать нужное число переводчиков, владеющих кроме свое- го родного языка только одним иностранным. Способ двойного перевода основан на том, что речь выступающего вначале переводится на язык, знакомый всем переводчикам (так называемый осевой язык), а с этого осевого языка на закрепленный за переводчиком рабочий язык. В СССР в основном применяют систему двойного перевода, хотя практи- чески все типы установок допускают работ}' и в режиме прямого перевода; за- рубежные установки, как правило, работают по системе прямого перевода. Вид системы СПР определяется структурой канала связи. В проводных ус- тановках в канал связи входят усилитель звуковой частоты, кабельная распре- делительная сеть и абонентские устройства, в беспроводных — передатчик и або- нентские приемники. Беспроводная передача основана на излучении АМ-колеба- ний в диапазонах километровых и гектометровых волн Приемники, выполняе- мые по схеме прямого усиления или по супергетеродинной схеме, обслуживают 3... 8 каналов. Каждому каналу соответствует определенная несущая частота, модулируемая сигналом звуковой частоты, поступающим из закрепленной за этим каналом кабины переводчика. Радиопередатчики, как правило, выполняются с кварцевой стабилизацией частоты и работают на общую антенну. Для передачи речевых сигналов также используют излучение модулирован- ного инфракрасного (ПК) излучения с длиной волны 0,95 мкм. При этом в по- мещении вследствие отражений от поверхностей создается диффузное ИК-по- ле. На входе приемника включают кремниевые фотодиоды. Проводная система СПР самая дешевая и обеспечивает лучшее качество передачи. Экономически ее целесообразно применять для 300... 400 человек. Беспроводные системы СПР, работающие в километровом и гектометровом диа- пазонах волн, используют в больших помещениях и при значительном числе де- легатов. Переключатель каналов абонентского устройства позволяет участникам слу- шать речи оратора непосредственно или в переводе на любой рабочий язык кон- ференции Прослушивание ведется на индивидуальные головные телефоны деле- гатов Тд. Дискуссионные установки (или аппаратура «круглого стола») относятся к проводным и позволяют участникам дискуссии выступать как персонально с мест, так и совместно с установкой СПР. Известно несколько вариантов работы дискуссионных установок. При варианте РАРВ председатель дает слово участ- нику дискуссии (микрофон А) и выключает свой микрофон Р. Участник дискус- сии включает микрофон А, нажимая кнопку на своем пульте. После выступле- 169
иия участника председательствующий включает свой микрофон Р, отключая микрофон А, и предоставляет слово другому участнику, который включает мик- рофон В, выключая микрофон Р и т. д. В этом режиме работы микрофон Р председательствующего имеет приоритет: председательствующий в любой мо- мент может прервать любого участника дискуссии. При небольшом числе участников дискуссии чаще применяется вариант РАВС: микрофон А отключается при включении микрофона В, который, в свою очередь, может быть отключен включением микрофона С, и т. д. Эти режимы удобны и для синхронною перевода речи, так как одиовремеино работает толь- ко один микрофон. Контрольные вопросы 1. Перечислите требования, предъявляемые к системам озвучения и звуко- усиления. 2. Назовите достоинства и недостатки различных систем озвучения. 3. Какого типа громкоговорители следует применять в распределенных си- стемах озвучения, чтобы обеспечить заданную неравномерность звукового поля? Как их при этом располагать? 4. Какие громкоговорители следует применять в сосредоточенных системах озвучения? Как их при этом располагать? 5. Что такое понятность и разборчивость речи? 6. Как влияет акустическая обратная связь на работу системы звукоуси- ления? 7. Что такое регенеративная реверберация? 8. Что такое индекс тракта, рациональный и предельный индексы тракта? 9. Каковы особенности систем оповещения? 10. Опишите принципы построения системы синхронного перевода. Глава 6. ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ 6.1. ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ХУДОЖЕСТВЕННОГО И ИНФОРМАЦИОННОГО ВЕЩАНИЯ Акустические звуковые сигналы преобразуются в электрические с помощью микрофонов, которые устанавливают в тех местах, от- куда проводятся трансляции и где производятся записи магнитных фонограмм: в студиях, театрах, концертных залах, клубах, на спортивных площадках, в производственных цехах и т. д. На вы- ходе микрофона электрические сигналы слабые, максимальные значения их обычно составляют несколько милливольт, а мини- мальные-— микровольты. Поэтому в любом случае они сначала усиливаются микрофонным усилителем, а затем специальным об- разом обрабатываются. Под обработкой понимают такие преднамеренные преобразова- ния вещательных сигналов, которые производят для создания спе- 170
циальных эффектов (спецэффектов), коррекции частотных иска- жений, изменения тембральной окраски звучания, снижения шу- мов, сжатия динамического диапазона сигналов до пределов, обу- словленных параметрами каналов связи и уровнями прослушива- ния в домашних условиях и т. д. Для сигналов художественного вещания главной задачей об- работки является обеспечение общего высокого качества, для сигналов информационного вещания — обеспечение прежде всего высокой разборчивости речи. При этом должен быть по возмож- ности сохранен естественный динамический диапазон звуковых сигналов. В зависимости от изменяемого параметра полезного сигнала различают обработку по спектру (частотная обработка), по уров- ням (динамическая обработка), шумоподавление и спецэффекты. Частотную обработку производят с помощью корректоров (набо- ра различных фильтров), динамическую — с помощью ручных и автоматических регуляторов уровня, спецэффекты — с помощью ревербераторов, линий задержки, гармонайзеров и других уст- ройств, шумы снижают шумоподавителями. Очень часто необходимо изменять спектр сигналов звукового вещания, поскольку обычно требуется выравнивать амплитудно- частотную характеристику (АЧХ) каналов передачи звуковых сигналов, чаще всего в области верхних частот. В этом случае АЧХ корректируют. Иногда требуется иметь не горизонтальную АЧХ, а деформированную. Например, для повышения разборчиво- сти речи рекомендуется осуществлять спад в области низких ча- стот звукового диапазона и подъем на частотах 3...5 кГц. Для создания так называемого эффекта присутствия (кажущегося присутствия слушателя в одном помещении с исполнителем) звуко- режиссеры изменяют АЧХ в диапазоне 0,7... 4 кГц. Для уменьше- ния низкочастотного фона и шумов включают фильтры низших и высших частот, называемые фильтрами среза. Во всех этих слу- чаях производят частотную обработку сигналов. Динамический диапазон симфонической музыки может дости- гать 80 дБ. Так как по каналам звукового вещания во многих слу- чаях можно передавать сигналы с динамическим диапазоном не более 40 дБ, то звукорежиссеры специальным образом, с помощью регуляторов уровня, сжимают динамический диапазон до требуе- мого значения. В домашних условиях вещательные передачи обычно прослу- шивают при максимальных акустических уровнях NaMaKc~80 дБ, где акустические шумы достигают Nm=35...4O дБ. Следователь- но, минимальный уровень полезных сигналов должен быть не ниже Na.MiiH=40 дБ. Таким образом, исходя из реальных усло- вий прослушивания в домашних условиях, динамический диапа- зон вещательных сигналов не должен превышать Z? = N.aMaKC— —Na.MHH=80—40 = 40 дБ. 171
Для радиовещательных каналов недопустим уровень сигнала, превышающий номинальное значение, так как при этом появля- ются большие нелинейные искажения. Так, при возрастании уров- ня сигнала на входе AM передатчика на 2 дБ сверх номинального значения, т. е. примерно на 25%, коэффициент гармоник возраста- ет с 2,5 до 12%. Аналогичные явления имеют место и в мощных усилителях проводного вещания. При увеличении входного уров- ня сверх номинального значения передатчик или усилитель может выйти из строя. Чтобы этого не произошло, осуществляют их за- щиту с помощью ограничителей. Изменяя уровни ручными и ав- томатическими регуляторами, звукорежиссеры осуществляют ди- намическую обработку сигналов. Во многих случаях, особенно при записи музыки, звукорежис- серы используют устройства искусственной реверберации. Часто время реверберации в телевизионных студиях оказывается мень- ше оптимального значения. При литературно-драматических пе- редачах нередко возникает необходимость имитировать звучание большого гулкого помещения. Звукорежиссеры производят также обработку сигналов, создавая спецэффекты; задержку ревербера- ции, эхо, хор, «космос» и др. Большинство устройств обработки сигналов звукового веща- ния находятся в пульте звукорежиссера или непосредственно свя- заны с ним. Кроме того, такие устройства обработки как частот- ные корректоры и автоматические регуляторы уровня устанавли- вают в каналах связи и на входе передатчиков. 6.2. КЛАССИФИКАЦИЯ УСТРОЙСТВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ Для преобразования сигналов звукового вещания применяют устройства динамической и частотной обработки, шумоподавите- ли, а также устройства спецэффектов. Динамическая обработка, связанная с изменением динамиче- ского диапазона сигналов, реализуется ручными и автоматически- ми регуляторами уровня. Необходимость ручной регулировки уровней объясняется тем, что исходные необработанные сигналы имеют большой динамический диапазон (например, 80 дБ у сим- фонической музыки), а в домашних условиях передачи обычно прослушивают, в диапазоне порядка 40 дБ. Следовательно, звуко- режиссер должен сжать динамический диапазон симфонической музыки до 40 дБ. На рис. 6.1 приведены уровнеграммы, характе- ризующие изменения уровней сигналов при трех различных прин- ципах регулирования. Зависимость а соответствует ходу уровне- граммы без регулирования, причем видно, что значительную часть времени уровни сигнала выше максимально допустимого значе- ния NwaKc, следовательно, сигналы необходимо регулировать. 172
Рис 6.1. Уровнеграммы сигналов при трех различных принципах регулиро- вания Рис. 6 2. Уровнеграммы сигналов на вхо- де (а) и выходе безынерционного (б) и инерционного (б) авторегулятора При первом варианте регулирования (1 на рис. 6.1) звукоре- жиссер быстро вводит затухание непосредственно перед момен- том превышения сигналом допустимого предела NMaKc- Эстетиче- ский эффект при этом оказывается низким: знакомый с партиту- рой слушатель знает, что в данный момент громкость должна возрастать, однако этого не происходит. Слушатель, не знакомый с данным произведением, не заметит такого искажения, но у него сложится неправильное представление о произведении. При втором варианте регулирования (2 на рис. 6.1) звукоре- жиссер начинает вводить затухание заблаговременно, до момента превышения NMaKC. Но при этом существенно уменьшается крутиз- на нарастания сигнала, поэтому исполнение будет казаться вя- лым, неконтрастным. При третьем варианте регулирования (3 на рис. 6.1) звукоре- жиссер с учетом ожидаемого по партитуре большого увеличения уровня сигнала заблаговременно плавно снижает уровень до мо- мента времени, когда в натуральном звучании а уровень начинает увеличиваться. С этого момента звукорежиссер допускает нара- стание уровня с естественной крутизной. При этом у слушателя создается наилучшее впечатление, динамика произведения будет ощущаться более естественной, так как сохранена естественная крутизна нарастания уровня громкости. Исследования показали, что время реакции звукорежиссера не менее 2 с, даже если партитура музыкального произведения ему известна. Это приводит к погрешности в поддержании максималь- ных уровней музыкальных программ до ±4 дБ относительно но- минала. Поэтому в помощь звукорежиссеру создано большое чис- ло различных устройств автоматической обработки уровней сиг- налов— авторегуляторов уровня (АРУР). 173
По критерию инерционности срабатывания АРУР разделяются на безынерционные (мгновенного действия) и инерционные (АРУР с изменяющимся коэффициентом передачи). В те моменты времени, когда сигнал на входе безынерционного авторегулятора (рис. 6.2,а) превышает номинальное значение t/ном, на его выходе вместо синусоидального сигнала получается трапецеидальный (рис. 6.2,6), т. е. форма сигналов сильно искажается. Поэтому, хо- тя безынерционные авторегуляторы и очень просты, они приводят к появлению больших нелинейных искажений. Инерционными называются такие авторегуляторы уровня, у ко- торых коэффициент передачи автоматически изменяется в зави- симости от амплитуды сигнала на их входе. При этом практиче- ски любой инерционный авторегулятор уровня в своем составе имеет два функциональных элемента — основной канал и канал управления. Если сигнал подается в канал управления со входа основного канала, то это инерционный авторегулятор с прямой регулировкой, а если с выхода —с обратной регулировкой. При срабатывании инерционные авторегуляторы уровня искажают фор- му сигналов только в течение незначительного интервала време- ни т (рис. 6.2,в) и поэтому эти искажения незаметны для слуха. В зависимости от выполняемых функций инерционные авторе- гуляторы уровня подразделяют на ограничители квазимаксималь- ных уровней, автостабилизаторы уровня, компрессоры (сжимате- ли) динамического диапазона, экспандеры (расширители) дина- мического диапазона, компандерные шумоподавители, пороговые шумоподавители, устройства со сложным преобразованием дина- мического диапазона (например, авторегуляторы громкости ра- диовещательных сигналов). Ограничитель уровня — это авторегулятор, у которого коэффи- циент передачи изменяется так, что при превышении номинально- го входного уровня до 20 дБ уровни сигналов на его выходе оста- ются практически постоянными, близкими к номинальному значе- нию (рис. 6.3,о). При входных сигналах, изменяющихся от нуля до номинального значения, ограничитель уровня работает как обычный усилитель. Автостабилизатор уровня в соответствии со своим названием предназначен для стабилизации уровней вещательных сигналов, что необходимо для выравнивания громкости звучания отдельных фрагментов. Принцип действия автостабилизатора аналогичен принципу действия ограничителя. Отличие заключается в том, что номинальное выходное напряжение автостабилизатора примерно на 5 дБ меньше номинального выходного уровня Nbwx.hom, в то время, как у ограничителя Nbux.hom = 0 дБ (рис. 6.3,6). Компрессор (сжиматель)—это устройство, коэффициент пере- дачи которого возрастает по мере уменьшения уровня входного сигнала (рис. 6.3,в). Действие компрессора приводит к повыше- нию средней мощности и, следовательно, громкости звучания об- 174
Рис. 6.3. Амплитудные характеристики ограничителя (а), автостабилизатора (б), компрессора (е), экспандера (г), пороговою шумоподавителя (<?), авторегулято- ра со сложной регулировкой (е) рабатываемого сигнала, а также к сжатию его динамического ди- апазона. Амплитудная характеристика экспандера (расширителя) об- ратна характеристике компрессора (рис. 6.3,г) и компенсирует ис- кажения, вносимые в сигнал компрессором. Система, состоящая из последовательно включенных компрес- сора и экспандера, называется компандером и используется для шумоподавления (см. § 6.6). Совместно с компрессорами часто ис- пользуют пороговые шумоподавители, амплитудная характеристи- ка которых показана на рис. 6.3,<Э. Авторегуляторы со сложным преобразованием динамического диапазона (например, авторегуляторы громкости) имеют в своем составе несколько каналов управления. Например, авторегулятор уровня, амплитудная характеристика которого приведена на рис. 6.3,е, состоит из ограничителя Огр, автостабилизатора ACT, экспандера ЭКСП и шумоподавителя ШП. Такое сочетание позво- > 175
I ляет стабилизировать громкость звучания различных фрагментов, выдерживать максимальные уровни и подавлять шумы; В паузах передачи. . Частотная обработка выполняется корректорами (набором фильтров), изменяющих спектры сигналов во всем звуковом ди- апазоне частот. Различают следующие типы корректоров: филь- тры плавного подъема и завала, фильтры среза, фильтры присут- ствия, эквалайзеры (графические корректоры) (подробнее см. §6.7). Устройства спецэффектов — это ревербераторы, линии задерж- ки, гармонайзеры и другие устройства. Ревербераторы можно классифицировать следующим образом: эхо-камерные, магнит- ные, листовые (пластинчатые), пружинные и цифровые. Цифро- вые ревербераторы и линии задержки в настоящее время самые перспективные, обладают наибольшими технологическими воз- можностями. Спецэффекты получают также в случае обработки сигналов с помощью компрессоров, эквалайзеров и т. п. 6.3. НАЗНАЧЕНИЕ И СТРУКТУРА МИКШЕРНЫХ ПУЛЬТОВ Микшерный пульт предназначен для обработки звуковых сиг- налов, подготовки, формирования и выпуска программ звукового вещания. Современные пульты являются наиболее сложными уст- ройствами в трактах формирования программ. В их состав вхо- дит большое число различных блоков, а число органов управления иногда превышает 2500. Микшерные пульты выполняют следующие основные функции: регулировку уровней звуковых сигналов от отдельных источ- ников и их смешивание в определенных соотношениях; регулировку уровней от источников, сгруппированных опреде- ленным образом; общую регулировку уровней выходного сигнала; изменение частотного спектра звуковых сигналов; усиление сигналов; дополнительную автоматическую регулировку уровней и дина- мического диапазона с помощью авторегуляторов уровня; изменение акустической окраски звучания с помощью уст- ройств искусственной реверберации, подключаемых к пульту; формирование вещательных передач из отдельных фрагментов; визуальный и слуховой контроль звуковых сигналов с по- мощью различных измерительных приборов и устройств прослу- шивания. Развитие студийной техники шло по пути как создания универ- сальных микшерных пультов, так и их специализации. Второй путь оказался более перспективным. Поэтому в настоящее время 176
Рис 6 4 Структурная схема микшерного пульта существует разделение микшерных пультов по своему назначению и функциональным возможностям. По назначению различают звукорежиссерские микшерные пульты записи, микшерные пульты перезаписи и монтажа, веща- тельные микшерные пульты. Звукорежиссерские микшерные пульты записи в зависимости от числа индивидуальных микрофонных каналов разделяют на малые (6—12 каналов), средние (16—20 каналов) и большие (24—40 и более каналов). По числу последовательно включенных каналов пульты записи подразделяют на двух- и трехзвенные. Трехзвенные пульты содержат индивидуальные (микрофонные), групповые и общие каналы (рис. 6.4). Двухзвенные пульты груп- повых каналов не имеют. Коммутация каналов осуществляется с помощью шин Ш, представляющих собой обычно кнопочные мат- ричные коммутаторы. Микшерные пульты перезаписи и монтажа обычно бывают са- мыми простыми и содержат четыре-шесть входных и два выход- ных канала. Вещательные микшерные пульты содержат шесть-восемь вход- ных каналов и два выходных канала. Входные каналы выполняют либо все универсальными (высокого и низкого уровня), либо два входных канала низкого уровня (на них подают сигналы с микро- фона), а остальные высокого. Как видно из рис. 6.4, в состав микшерных пультов входят раз- личные усилители (микрофонные — МУ, промежуточные — ПУ, ли- нейные— ЛУ), частотные корректоры — ЧК (плавного подъема и завала, среза, присутствия), ручные регуляторы уровня (индиви- дуальные— ИР, групповые — ГР, общие — ОР), автоматические регуляторы уровня (компрессоры — Ком, шумоподавптели — ШП, ограничители — Огр), сборные шины Ш, измерители уровня, уст- ройства управления, коммутации и сигнализации. 12—6697 177
Радиодома в Советском Союзе оснащаются в основном звукотехническим студийным оборудованием ВНР (производства заводов БЕАГ и МЛ) и ЧССР (производства предприятия «Тесла — Электроакустика»). В состав этого обору- дования входят венгерские микшерные пульты серии РКС (РКС-101 ... РКС-112) и чехословацкие ESR— ESS (ESR-136, ESS-186, ESR-1808, ESR-2808 и др.). Телецентры страны оснащаются отечественным звукотехническим оборудованием серии «Перспектива», в состав которого входят микшерные пульты П-62 и П-71. 6.4. РУЧНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ УРОВНЯ- СМЕСИТЕЛИ. РЕГУЛЯТОРЫ БАЗЫ И НАПРАВЛЕНИЯ Ручной регулятор уровня (микшер) представляет собой четы- рехполюсник, у которого изменяется коэффициент передачи в за- висимости от положения, установленного звукорежиссером или оператором. Для обеспечения изменения сигналов от номинально- го значения до минимума диапазон регулирования выбирается не менее 80 дБ с последующим «обрывом» сигнала, т. е. его полным отключением. Регуляторы, устанавливаемые в микшерные пуль- ты, обычно имеют плавную регулировку затухания. Если же ре- гулятор ступенчатый, то шаг регулировки не должен превышать 1 дБ, в противном случае получаемый скачок изменения громко- сти становится заметным на слух. Преимуществом потенциометрического регулятора (рис. 6.5,а)—простота и плавность регулирования, недостаток — зави- симость выходного сопротивления от положения регулятора. Кро- ме того, со временем материал частично изнашивается, и регули- ровка уровней начинает сопровождаться тресками и шумами. По- тенциометрические регуляторы применяют тогда, когда не требу- ется строгого согласования сопротивлений в цепи их включения. При необходимости согласования сопротивлений используют мостовые Т-образные регуляторы (рис. 6.5,6). Диапазон их регу- лировки обычно не менее 60 дБ. Сопротивления Ri и R2 изменяют так, чтобы соблюдалось условие R\R2~R<2. Если выбрать равными сопротивление источника Rt, сопротив- ление нагрузки Rn, характеристическое сопротивление Rc и сопро- тивление резисторов /?0, т. е. 7?! = /?с=7?н=^о, то в любом поло- жении регулятора его входное и выходное сопротивления постоян- ны и равны Ro: RBX^=RBbIX=R0. Рис. 6.5. Схемы потенциомет- рического (а) и мостового Т- образного (б) регуляторов уровня
Рис. 6 6. Структурная (а) и электрические схемы смесителей с дополнительным сопротивлением (б) и без него (в) Затухание регулятора в децибелах можно определить из фор- мулы а = 201g -Al_ = 201g я вых ^0 Требуемые сопротивления /?1 и можно вычислить из сле- дующих выражений: /?i=/?c(10a/2°—1); /?2=/?с/(1Оа/20—1). Смесителем (рис. 6.6) в микшерных пультах называют устрой- ство, в котором сигналы от нескольких источников объединяют- ся (смешиваются) в один общий суммарный сигнал. Смеситель— это несколько ручных регуляторов уровня, соединенных между собой определенным образом. Одним из основных требований, предъявляемых к смесителю, является отсутствие взаимного влияния индивидуальных регуля- торов. Это означает, что если изменяется положение регулятора Ri, то на выходе должен изменяться только уровень сигнала источника, поступающего на вход 1. Но выходное сопротивление этого регулятора входит в нагрузку всех остальных индивидуаль- ных регуляторов. Поэтому, чтобы исключить взаимное влияние, в схему вводят стабилизирующие сопротивления /?доп (рис. 6.6,6). Если дополнительные сопротивления в схему не включать, то регуляторы уровня влияют при работе друг на друга. Так, при нижнем положении регулятора сопротивление Ri—О шунтирует нагрузку, и поэтому сигналы, поступающие со входов 2.. .п (рис. 6.6,в), также будут равны нулю независимо от положения ре- гуляторов /?2- -Rn. Дополнительные резисторы R№n стабилизируют нагрузку, по- этому они называются стабилизирующими или согласующими. Сопротивление цепи вправо от точек АБ (рис. 6.6,6) вместе с сопротивлением резистора Ддоп должно быть равно сопротивле- 179
нию /?с индивидуального регулятора ИР: R С ^доп + #С ~Г ^?ДОП 2п — 1 ’ где п— число включенных индивидуальных регуляторов. При этом характеристическое сопротивление R'c общего регулятора отли- чается от Rc и равно выходному сопротивлению цепи влево от то- чек ВГ: Rlt— (^с-р-^доп) /П. Чтобы сопротивление нагрузки было согласовано с выходным сопротивлением смесителя, сопротивления RRon и RH должны вы- бираться, исходя из следующих условий: Rnon—Rc(n—1)[п, R„= —Rc(2n—\)/п2. В этом случае смеситель вносит затухание а— = 101g(2n—1). Без согласующего звена затухание a'— lOlgn. Таким образом, за счет дополнительных согласующих сопро- тивлений /?дОП устраняется влияние регуляторов друг на друга, но при этом, как видно из сравнения двух последних выражений, вносится значительное дополнительное затухание. Так, при 10 ин- дивидуальных регуляторах (п=10) затухание с а'=10 дБ увели- чивается до й=13 дБ. В смесительных устройствах современных микшерных пультов для лучшей развязки и компенсации затухания смесителей при- меняют разделительные усилители. Регуляторы направления и базы (панорамные регуляторы) яв- ляются обязательными элементами стереофонических микшерных пультов. Направление сигналов с монофонического микрофона на кажущийся источник звука может регулироваться путем разде- ления на два групповых тракта с различными уровнями громко- сти. Практически эта операция осуществляется потенциометрами панорамного регулятора. Ширину базы (стереопанораму) можно регулировать как в ин- дивидуальном (при стереофоническом микрофоне), так и в груп- повом (при формировании стереопанорамы из ряда сигналов от моно- и стереомикрофонов) трактах. Устройство, изменяющее ши- рину стереопанорамы (или акустическую ширину базы), может состоять из двух суммарно-разностных преобразователей СРП с раздельными регуляторами уровней суммарного (S) и разностно- го (Д) сигналов (рис. 6.7,я). Пусть на выходе стереомикрофона имеется сигнал произвольной формы S(t), причем в левом кана- ле aS(t), а в правом bS(t) — как при интенсивностной стереофо- нии XV. Положение кажущегося источника звука (КПЗ) для данной стереопары определяется величиной AL—20 lg(&/«). На выходе СРП1 получаются сигналы суммы Um и разности Us- UM=aS(t)+bS(t)-, U8=aS(t)—bS(t). • " 180
5) Рис. 6.7. Структурные схемы панорамных регуляторов Так как в каналах суммы и разности имеются аттенюаторы Атт, их влияние на суммарный и разностный сигналы можно учесть введением коэффициентов mi и т2: U's—m2Us=m2S(t) (а—b), 0Cm2^l. После второго СРП2 U'm+U's=S (t) [mi (a-[-b) -\-m2 (a—b)] —2a'S (t), U'm—U's—S(t) [mi (a-\-b)— m2 (a—b) ] =2b'S(t), где 2a'=mt(a-\-b) -\-m2(a—b); 2b'=mi(a-\-b)—m2[a—b). Если уровни суммарного и разностного сигналов не меняются (mi=m2=l), то а'—а, b'=b, т. е. на выходе СРП2 получим ис- ходные сигналы стереопары UM и Us. При регулировке соотношения суммарного и разностного сиг- налов изменяются и, следовательно, изменяется направление на КИЗ. Следует отметить, что речь здесь идет только о сигналах сов- мещенного стереомикрофона, при котором разность фаз не сказы- вается на стереоэффекте. На рис. 6.7,6 приведена структурная схема панорамного регулятора мик- шерного пульта ESS-186. Входы 1 и 2 панорамного регулятора подключены к выходам левого X и правого У индивидуальных трактов, а выходы 3 и 4 — к па- ре групповых трактов. В зависимости от используемых сигналов Ui и U2 на вхо- де (ХУ или AIS), положения переключателя режима работы П и ручек потен- циометров функции панорамного регулятора существенно изменяются. Если переключатель П находится в положении MS/X'Y', то при коэффици- ентах передачи потенциометров Ki и К2 выходные сигналы зависят от входных следующим образом. (7з = (71(1—/Сг) + U2K2‘, U2К2‘ Если = U2 = Us, Ю = Кг=0,5, то = ((7.m-|-£7s)/2; 1^4= (17 м— —Us)/2, и схема работает как обычный СРП (преобразование MS в ХУ). Мно- житель К2 означает, что второй потенциометр является регулятором разност- 181
a) ff) Рис 6.8. Трансформаторная (а) и мостовая (б) схемы суммарно-разностных пре- образователей: ---------- путь сигнала М,------------путь сигнала 3 кого сигнала Us, следовательно, он является регулятором ширины базы. При изменении /С2 от 1 до 0 ширина стереопанорамы уменьшается от максимально- го значения, равного В, до нуля. От положения регулятора Ki зависит положение центра стереопанорамы (при К2 = const). Следовательно, потенциометр Ki выполняет функции регуля- тора направления. Если переключатель П находится в положении XY/X'Y', то [/3 = ^t/i+(l—Л2)С72, £/4=К21/2 + (1— Когда на вход поступают сигналы от стереомикрофона XY, то в этом слу- чае оба потенциометра влияют на ширину базы и положение центра стереопа- норамы. При одновременном изменении Ki и К2 от 0 до 0,5 стереопанорама сим- метрично сжимается от В до нуля, т. е. до монозвучания из центра базы. При дальнейшем повороте обоих регуляторов /С и /С2 от 0,5 до 1 ширина стереопа- норамы увеличивается от нуля до В, но с обратным расположением КПЗ. При движении только одного потенциометра одновременно регулируется ширина и смещение центра стереопанорамы. На рис. 6.8 приведены две простейшие схемы суммарно-разностных преоб- разователей СРП, необходимых для работы регуляторов базы и направления. В трансформаторном СРП (рис. 6.8,а) напряжения сигналов М и S в верхней части вторичной обмотки трансформатора складываются синфазно AP-S = X, а в нижней — противофазно Л1—3 = У. Преобразование с помощью мостовой схемы показано на рис. 6.8,6. Рис. 6.9. Схема панорамного регулятора сигнала S 182
В современных микшерных пультах применяют более сложные схемы пано- рамных регуляторов, позволяющих четко разделить функции регуляторов ши- рины и направления. Так, особенностью регулятора направления и ширины ба- зы пульта ESS-2010 (рис. 6.9) является независимость алгоритма от рода вход- ных сигналов (в каждом из двух положений переключателя П1): 1/з = ^м(1,5—2Л,) + С7в(1—2Лг) = = £7,(1,25—К,+К2) + lh (0,25—Д) +Д2); £74 = £7м(0,5+2Л1)—J7s(l—2Л2) = = U. (/Ci-№-0,25) + V 2 (0,75+/G—Д2). Анализ этих уравнений показывает, что потенциометр К\ управляет положе- нием центра стереопанорамы, т. е. это регулятор направления, а Д2 регулирует ширину стереопанорамы. 6.5. АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ УРОВНЯ В настоящее время в радиовещании и телевидении широко применяют автоматические регуляторы уровня звуковых сигналов (АРУР). Современная студийная техника не мыслится без ав- торегуляторов, обеспечивающих высокую стабильность уровней, так как звукорежиссеры и операторы могут гарантировать под- держание уровней не точнее, чем с допусками ±4 дБ. Авторегуляторы уровня используют для решения следующих задач: выдерживания нормированного значения квазимаксималь- ных уровней; защиты трактов записи и вещания от перегрузки (перемодуляции); повышения средней мощности сигналов и раз- борчивости речевых передач; уменьшения шумов и помех и др. Этим объясняется большое число АРУР различного типа и назна- чения, разработанных для конкретных целей и отличающихся друг от друга как отдельными параметрами, так и принципами по- строения. В безынерционных ограничителях уровня ограничению подвер- гаются мгновенные значения сигнала, превышающие некоторое за- данное пороговое значение. При этом изменяется форма сигнала и появляются большие нелинейные искажения, в результате чего на практике безынерционные ограничители уровня не используют в виде самостоятельных устройств. Как дополнительные элементы их применяют под названием пикосрезателей. Пикосрезатель — это разновидность безынерционного ограни- чителя, устанавливаемого в АРУР инерционного типа. На выходе таких АРУР обычно имеются так называемые пики срабатывания, амплитуда которых тем больше, чем выше амплитуда входного сигнала. Эти пики могут создавать помехи другим сигналам, пе- редаваемым по междугородным каналам. Чтобы этого не проис- ходило, на входах междугородных каналов звукового вещания уро- вень максимального напряжения не должен превышать нормируе- мого значения сигнала более чем на 1,5 дБ. Следовательно, на 183
Рис. 6 10 Переходные процессы в ограничителе (а) и шумоподавителе (б) выходе радиодома и телецентра максимальный уровень не дол- жен превышать такого значения, для чего и используют пикосре- затели в выходных цепях ограничителя уровня инерционного типа. Хотя при этом также возникают большие нелинейные искажения, однако они не ощущаются, так как длительность пиков срабаты- вания всех современных ограничителей уровня не превышает 1 мс. Инерционные авторегуляторы — это такие устройства, у кото- рых изменение коэффициента передачи происходит не сразу пос- ле изменения сигнала на его входе, а с некоторым замедлением во времени. Для оценки инерционности АРУР введены две дина- мические (временные) характеристики: срабатывания (установ- ления) и восстановления. Для всех регулируемых звеньев АРУР (кроме шумоподавителя) срабатыванием принято считать реак- цию авторегулятора на увеличение уровня сигнала, а восстанов- лением — на его уменьшение. Время срабатывания tcp — это интервал между моментом, ког- да от источника начинает подаваться сигнал с уровнем на 6 дБ выше номинального значения, и моментом, когда выходной уро- вень уменьшится с 6 до 2 дБ по отношению к номинальному зна- чению (рис. 6.10,а). Время восстановления tB0Q — это интервал времени между мо- ментом, когда уровень сигнала от источника снижается с 6 дБ до номинального значения 0 дБ, и моментом, когда выходной уровень увеличится от —6 до —2 дБ по отношению к номинальному зна- чению. Для шумоподавителей срабатыванием принято считать умень- шение усиления при пропадании полезного сигнала, а восстанов- лением — восстановление усиления при появлении полезного сиг- нала (рис. 6.10,6). 184
Выбор динамических параметров авторегуляторов определяет- ся назначением конкретного типа АРУР и практическими сообра- жениями. Например, инерционные ограничители уровня предназ- начены для защиты элементов тракта звукового вещания (радио- передатчиков, мощных усилителей проводного вещания, в радиодомах-—магнитной ленты) от перегрузок. Следовательно, теоретически время срабатывания ограничителя должно быть бес- конечно малым. Однако с учетом того, что звуковые сигналы нарастают не мгновенно, а имеют некоторый период .нарастания, для практики такое строгое требование является излишним Для сигналов речи время нарастания 6. ..120 мс, для скрипки 80... ..120 мс и т. д. Лишь некоторая небольшая группа источников звука имеет время нарастания меньше 5 мс. Кроме того, известно свойство слуха ощущать нелинейные искажения коротких импуль- сов лишь в тех случаях, когда их длительность превышает 10 мс. Исходя из этих соображений, для ограничителей уровня выбирают /ср=0,5.. .1 мс. Исходя из результатов исследований, время восстановления ограничителей уровня чаще всего выбирается равным 1Вос=1,5 с. У некоторых типов ограничителей скорость процесса восстановле- ния автоматически изменяется в зависимости от формы звукового сигнала. Речевые компрессоры имеют следующие динамические параметры: /ср=1...2 мс, fBOC=300 мс. У музыкальных компрессо- ров обычно имеется возможность оперативного выбора времени восстановления с помощью переключателя, например ZBOC=0,1; 0,3; 0,5; 1 и 2 с. Для пороговых шумоподавителей обычно выбирают следующие динамические параметры: ^Ср=200.. .300 мс; /вос=1.. ...5 мс. При меньшем времени срабатывания реверберационный процесс затухания сигналов будет резко ослабляться, что явля- ется неестественным для слуха. Выбирать /ВОс>5 мс нельзя, так как при появлении полезного сигнала шумоподавитель будет мед- ленно восстанавливать свой коэффициент передачи и поэтому пер- вые слоги речи (или начало музыкальной фразы) будут сущест- венно ослабляться. Ограничители уровня — это такие инерционные АРУР, у кото- рых коэффициент передачи остается постоянным до некоторого порогового значения, а затем начинает уменьшаться обратно про- порционально увеличению уровня входного сигнала. Сейчас огра- ничители уровня установлены практически на каждом радиотеле- центре, на входах передатчиков и мощных усилителей проводного вещания. Ограничитель (рис. 6.11,я) состоит из основного канала и ка- нала управления. Основной канал включает входной и выходной усилители УЗЧ] и УЗЧ2, а также регулируемого элемента РЭ. В канал управления входят усилитель УЗЧ3, детектор Д, интегри- рующая цепь ИЦ и усилитель постоянного тока УПТ. Пока на входе ограничителя напряжение меньше номинального значения, 185
Рис. 6.11. Структурная схема (а) и аплитудная характеристика (б) ограничите- ля уровня напряжение на выходе усилителя УЗЧ3 меньше запирающего опорного напряжения Uon и диоды детектора закрыты. При этом канал управления не действует и схема работает как обычный усилитель. Когда входное напряжение превышает номинальное значение сигнала, напряжение на выходе усилителя УЗЧ3 становится боль- ше опорного Uon, диоды детектора отпираются и через УПТ это управляющее напряжение подается на управляющий вход регу- лируемого элемента РЭ. Чем больше напряжение на входе огра- ничителя, тем до большего напряжения заряжается конденсатор интегрирующей цепи и тем меньше становится коэффициент пе- редачи К регулируемого элемента и всего ограничителя в целом (рис. 6.11,6). С ростом входного напряжения за порогом срабаты- вания коэффициент передачи ограничителя начинает уменьшать- ся примерно по гиперболическому закону, и за счет этого напря- жение на выходе ограничителя остается почти постоянным. Для ограничителей уровня нормируются диапазон ограниче- ния Догр и степень превышения d (рис. 6.11,6): Догр^—^вх.иакс—-Увх.ном^20 ДБ, d^=Nвых.макс—-Увых.номй^! ДБ. Компрессоры предназначены для сжатия динамического диа- пазона звуковых сигналов в дикторских трактах микшерных пуль- тов записи и вещания. Различают речевые и музыкальные ком- прессоры. Практически во все современные речевые компрессоры встраиваются пороговые шумоподавители для снижения шумов в паузах передачи (рис. 6.12,а). Разность Д между номинальным N4 (рис. 6.12,6) и начальным N3 (находящимся на перегибе амплитудной характеристики) входными уровнями, т. е. динамический диапазон по входу, назы- вается диапазоном сжатия: ДСЖ=Ы4—N3. Аналогично по выходу определяется значение d=N'4—N'3. Разность между динамиче- ским диапазоном по входу и выходу называется степенью сжатия компрессора: d'=Dzx—d. Для речевых компрессоров обычно вы- 186
Рис. 6.12. Структурная схема (а) и амплитудная характеристика (б) речевого компрессора с пороговым шумоподавителем бирают следующие параметры: время срабатывания /ср=1 мс; время восстановления ?ВОс=300 мс; степень сжатия d'=10 дБ. У шумоподавителей степень шумоподавления в децибелах определяется как разность выходных уровней N'2 и N'b т. е. dm=N'2—N'i. Пороговые шумоподавители речевых компрессоров обычно имеют параметры: /ср=300 мс, ^ВОс=5 мс; б/ш=10. ..20 дБ. При отсутствии на входе компрессора полезного сигнала ко- эффициент передачи регулируемого элемента РЭ1 минимален, сле- довательно, коэффициент передачи всего устройства в целом так- же минимален К (рис. 6.12,6). За счет этого подавляются шу- мы в паузах передачи. Как только появляется сигнал с уровнем N>Nb срабатывает канал управления шумоподавителя КУШ, шумоподавитель быстро восстанавливает коэффициент передачи до максимума Кмакс- В результате все полезные сигналы с уров- нями от N2 до N3 дополнительно усиливаются (примерно на 10 дБ). По мере дальнейшего увеличения входных сигналов от N3 до N4 начинает срабатывать канал управления компрессора КУК, коэффициент передачи устройства начинает уменьшаться так, что при Nbx=NBx.hom выходной уровень также оказывается равным номинальному значению: ЫВых=МВых ном. При дальнейшем увеличении входного сигнала устройство обычно переходит в ре- жим ограничения. Музыкальные компрессоры обычно выполняют без пороговых шумоподавителей, но зато они позволяют оперативно изменять время восстановления (например, от 100 мс до 2 с) и степень сжа- тия сигналов (до 20 дБ). При работе речевых компрессоров даже при наличии порого- вых шумоподавителей часто становится заметным дыхание дик- торов. Из рис. 6.13,я видно, что если порог шумоподавления Nm= ——40 дБ, а уровень сигналов дыхания на входе компрессора N'=—30 дБ (он еще не очень заметен), то на выходе компрессо- ра он будет уже составлять N"=—20 дБ, т. е. усилен на 10 дБ и сильно заметен на слух. 187
ВУ Act Ком РЭ ШП ЛУ 6) Рис. 6.13. Уровнеграммы речевых компрессоров (а, б) и структурная схема ком- прессора с гистерезисным шумоподавителем 1 (е) Для устранения этого недостатка компрессоров необходимо применять гистерезисный шумоподавитель. Принцип работы это- го устройства виден из рис. 6.13,6. Порог срабатывания шумопо- давителя остается, как и раньше, примерно равным —38 дБ, а по- рог восстановления, который в обычном однопороговом шумопода- вителе совпадает с порогом срабатывания, в гистерезисном (двухпороговом) шумоподавителе выбирается на 6. . .8 дБ выше, т. е. примерно —30 дБ. Так как у большинства дикторов уровень сигналов дыхания не превышает —30 дБ, то эти сигналы теперь не подчеркиваются. А так как порог срабатывания ниже, на уров- не —38 дБ, то заметного на слух резкого ослабления ревербера- ционных звуковых сигналов не происходит. Компрессор с гистерезисным шумоподавителем (рис. 6.13,в) состоит из входного усилителя ВУ, автостабилизатора Аст, комп- рессора Ком, регулируемого элемента шумоподавителя РЭ ШП, линейного усилителя ЛУ и канала управления, включающего ком- паратор К, детектор Д, интегрирующую цепь ИЦ и два потенцио- метра 7?! и R2. Гистерезисная характеристика получается в ре- зультате применения комбинированной регулировки: сигнал для восстановления шумоподавителя снимается со входа устройства, а для срабатывания — с выхода. С помощью резистора Rt можно выбирать порог восстановления, a R2 — порог срабатывания шу- моподавителя. 188
6.6. УСТРОЙСТВА ШУМОПОДАВЛЕНИЯ Устройства шумоподавления предназначены для улучшения от- ношения сигнал-шум на выходе канала передачи или устройства записи-воспроизведения сигналов и могут быть двух видов — ста- тические и динамические (адаптивные). К статическим относят такие шумоподавители, параметры которых не зависят от вход- ного сигнала и в процессе работы остаются неизменными. Адап- тивные шумоподавители изменяют свои параметры под воздейст- вием проходящего через них сигнала, а их коэффициент передачи является функцией времени. Рассмотрим вначале статические устройства шумоподавления,, действие которых основано на лучшем, чем при их отсутствии, согласовании сигнала с каналом. Предыскажающие контура. Спектр сигналов ЗВ, как отмеча- лось в гл. 2, имеет значительную неравномерность, причем спад особенно заметен в области высоких частот звукового диапазона (рис. 6.14,а). С другой стороны, обычно шум распределен по спектру равномерно (рис. 6.14,6). Это позволяет улучшить отно- шение сигнал-шум на выходе приемников за счет использования предыскажающих (ПК) и восстанавливающих (ВК) контуров. Первые включаются на входе канала, вторые — на его выходе. Коэффициент передачи ПК Кпк(м) выбирается так, чтобы обеспечить подъем тех спектральных составляющих сигнала, уро- вень которых относительно мал. На выходе ПК спектр сигнала 5вых(со) =5с((о)Кпк((о). При этом предыскажения не должны уве- личивать общей мощности сигнала, т. е. 9 9 в в Рс = j 5вых (<*>) da = у Sc (со) = const. Йн Йв На выходе канала включается ВК с ко- эффициентом передачи, обратным Кпк(<о) (рис. 6.14,в): Квк (со) =1/Кпк (со). Поэтому на выходе канала спектр сиг- нала останется неизменным: Sbmx (ft)) Квк (и) — = Sc(ю)Кпк(о)) /Апк(со) =SC(со). Шум проходит только через ВК. Поэто- му на выходе канала Ош.вых(со) = Рис. 6.14. Диаграммы, поясняющие использование предыскажений для снижения уровня шума 18»
= Gm(co)Квк(со) (рис. 6.14,г). Поскольку ]/Свк(со) | < 1, общая мощность шума на выходе канала уменьшается. Получаемый выигрыш можно оценить по изменению отноше- ния сигнал-шум при наличии ПК и ВК и их отсутствии: Рс ев S?B f Ош(со)Квк(ы)<До f Ош(со)йсй (Рс/Рщ в.-х)пк-вк _ Рн_______________ _______ _____________________ Рс/Р’ш Рс йв Gm(co)dco j Gm(co)^K(co)dco SH (6.1) Здесь QH и QB— нижняя и верхняя частоты спектра сигнала. Компандерная система. Как было отмечено в § 6.1, компандер- ная система состоит из сжимателя С (компрессора), включаемо- го на входе канала передачи, и расширителя Р (экспандера), включаемого на его выходе. Поскольку С и Р — инерционные уст- ройства, их амплитудные характеристики (рис. 6.15,я) относятся к установившемуся режиму их работы. 190
Связь между напряжениями на входе и выходе С и Р можно описать степенными функциями: ^,Ых с = с! ^.ь,х п = (6.2) где ус и ур — коэффициенты сжатия и расширения. Перейдя в (6.1) от напряжений к электрическим уровням (см. приложение), получим: Л,вых.с=усЛ?вх.с I Wвых.р—ВХ.р. (6.3) Максимальные и минимальные значения сигнала на входе и выходе сжимателя: тс тс ^ых.с.макс ~ ^вх.с.м»кс> ^вых.е.мин = ^вх.с мии> (6-4) расширителя: Тр ^вых.р Маке ~ ^вх,р.м»кс1 ^вых.р.мин ~ ^вх.р.мин- (®-^) Поделив в (6.4) и (6.5) первое равенство на второе и выразив отношение в децибелах, получим: Dс.вых=Ус^с,вх! ^р.вых^Ур^р.вх- (6-6) Здесь Ос.вых и /)с.вх, Ср.вых и £)р.вх — динамические диапазоны сиг- нала на входе и выходе сжимателя и расширителя. Из (6.6) видно, что коэффициенты сжатия и расширения по- казывают, во сколько раз соответствующим автоматическим регу- лятором изменяется динамический диапазон сигнала. Используя (6.3) и зная уровень входного сигнала, можно определить его вы- ходной уровень. В процессе работы сжиматель вносит в сигнал искажения, ко- торые расширитель должен скомпенсировать. Поскольку в стацио- нарном режиме при отсутствии искажений {/Вх.с=^вых.р, можно записать ^вых.р (^ВХ.р) Р ----- =----—Ч7Г=1- (6.7) ^вх.е (^вьгх.е) Тс Поскольку при последовательном включении С и Р вых. С £^ВХ •Рл из (6.7) получаем условие отсутствия искажений в компандерной системе усуР=1. (6.8) Обычно в звуковом вещании принимают ус=0,5 и ур=2. Рассмотрим, как компандирование позволяет улучшить отно- шение сигнал-шум на выходе канала передачи. Воспользуемся для этого диаграммой уровней (рис. 6.15,а). Пусть, например, динамический диапазон сигнала 60 дБ, а уровень шума Ыш в ка- 191
нале передачи ниже максимально допустимого на 40 дБ. На ди- аграмме максимально допустимый уровень условно принят за О дБ. Во избежание значительных искажений уровень передачи не должен превышать максимально допустимого значения, т. е. 0 дБ, и поэтому уровень передачи самых слабых сигналов соста- вит —60 дБ. Следовательно, уровень шума в канале на 20 дБ пре- вышает уровень слабых сигналов и в процессе передачи они бу- дут скрыты в шумах. Пусть в процессе передачи динамический диапазон сигнала сжимается. При ус=0,5, как видно из (6.6), динамический диапа- зон сигнала на выходе сжимателя станет равным Дс.вых=30 дБ, а каждый из входных уровней также изменится в 2 раза (см. (6.3)). В канале передачи сигнал на шкале уровней займет диапазон 0...—30 дБ и минимальный его уровень окажется на 10 дБ выше уровня шума. В пункте приема расширитель восстановит исход- ный динамический диапазон, а уровень шума на выходе расшири- теля при прохождении слабых сигналов окажется на 20 дБ ниже уровня этих сигналов. Таким образом, применение компандера позволяет передать сигнал вещания по каналу, динамический диапазон которого мень- ше динамического диапазона самого сигнала. При этом выигрыш в отношении сигнал-шум составляет 10. ..13 дБ. Недостатком описанного компандера является появление на его выходе эффекта модуляции сигнала шумом. Связано это со следующим. В компандере степень подавления шума определяет- ся уровнем полезного сигнала. Максимальное шумоподавление имеет место в паузе и при слабых сигналах. При максимальных уровнях сигнала отношение сигнал-шум не меняется. Следова- тельно, уровень шума на выходе изменяется в такт с сигналом. При совпадении спектров сигнала и шума это обстоятельство не сказывается на восприятии, так как шум маскируется сигна- лом. Если же спектры не совпадают, то шум не маскируется сиг- налом и становится как говорят, программно-модулированным. В частности, при передаче низкочастотных сигналов (например, при игре басовых инструментов) высокочастотный шум начинает изменяться по уровню в такт с этим низкочастотным сигналом и поэтому оказывается особенно заметным. Другим недостатком описанного компандера является появле- ние нелинейных искажений в переходных режимах (при срабаты- ваниях и восстановлениях С и Р), вызванных несовпадением их частотных и фазовых характеристик, а также неоптимальным вы- бором постоянных времени цепей регулирования. Связано это с тем, что, с одной стороны, переходный процесс должен быть на- столько коротким, чтобы при скачкообразном увеличении уровня входного сигнала не возникало выбросов, приводящих к перегруз- ке системы. Для выполнения этого требования постоянная време- ни цепи управления не должна превышать одной четверти периода 192
максимальной частоты сигнала, что при частоте 20 кГц составля- ет всего 12,5 мкс. С другой стороны, во избежание значительных нелинейных искажений низкочастотных составляющих сигнала скорость изме- нения коэффициента усиления должна быть достаточно малой и при допустимом коэффициенте нелинейных искажений 0,2 % на частоте 20 Гц не должна быть больше 6 дБ/c. При диапазоне ре- гулирования в 30 дБ это означает, что требуемое время восстанов- ления составляет около 5 с. Отношение времени восстановления к времени срабатывания 400 000: 1. Очевидно, что при таком большом отношении выбор постоянных времени должен подчи- няться компромиссным соображениям, отличным от оптимальных. Полосные шумоподавители. В шумоподавителях этого типа («Долби-А». «Телефункен») в значительной степени устранены недостатки рассмотренного компандера. Устройство «Долби-А» (рис. 6.16) состоит из четырех компандеров, каждый из которых работает в определенной полосе частот. Разделение общего спектра на четыре части осуществляют фильтры, включенные на входе компрессоров. В системе «Долби-А» фильтры имеют полосы пропускания 30... 80 Гц, 80... ..3000 Гц, 3000 ... 20 000 п 9000 ... 20 000 Гц. В системе «Телефункен» принято иное деление спектра, без перекрытия полос пропускания фильтров. В обоих случаях при выборе полос пропускания фильтров учитывались психофизиологи- ческие условия восприятия шумов, в частности то обстоятельство, что высоко- частотные шумы хорошо воспринимаются на фоне низкочастотных сигналов, но маскируются высокочастотными. Например, высокочастотный шум магнитной ленты хорошо заметен на фоне контрабаса, но практически не прослушивается при записи скрипки. В схеме шумоподавителя каждый компандер работает как отдельный шу- моподавитель. Если спектр входного сигнала сосредоточен в пределах полосы пропускания одного из фильтров, то только в одном из компандеров отношение сигнал-шум останется неизменным. В трех других будет происходить шумопо- давление, и сигнал, сосредоточенный в пределах полосы пропускания одного из компандеров, не будет управлять уровнем шума в других. При этом не созда- ется условий для появления программно-модулированного шума. В пределах полосы пропускания каждого из компандеров отношение мак- симальной и минимальной частот значительно меньше, чем в однополосном ком- пандере. Поэтому может быть практически реализовано отношение оптимальных значений времени восстановления и срабатывания, примерно в 100 раз меньшее, чем в однополосном компандере. Минимальными оказываются и динамические нелинейные искажения. Деление спектра сигнала на четыре, а не на большее число полос определя- ется тем, что и в этом случае шумоподавление оказывается достаточно эффек- тивным (примерно на 10 дБ) при приемлемой стоимости. 13—6697 193
Рис. 6.17. Структурная схема (а) шумоподавители и его амплитудные характе- ристики (б, в, г) В шумоподавителе «Долбн-Б» для простоты деление на полосы ие исполь- зуется, а шумоподавление осуществляется только на частотах выше 1 кГц. Од- нако именно эти составляющие наиболее заметны на слух. Шумоподавитель «Долби-Б» применяется в бытовых устройствах звукозаписи. Особенностью всех рассмотренных шумоподавителей является то, что они состоят из двух блоков. Один включается на передающей стороне (в канале за- писи магнитофона) и вносит в сигнал предыскажения, другой — на приемной стороне (в канале воспроизведения магнитофона) и компенсирует внесенные в сигнал искажения. Во многих случаях, например при воспроизведении старых записей, желательно иметь устройства шумоподавления, не требующие предва- рительной обработки сигнала. Такие шумоподавители динамического типа ис- пользуют особенности слухового восприятия и основаны на управлении полосой пропускания канала в зависимости от спектрального состава или уровня вход- ного сигнала. Принцип действия шумоподавители DNL (Dynamic Noise Limi- ter) (рис. 6.17,а) основан на использовании того обстоятельства, что спектр му- зыкальных сигналов зависит от их громкости, причем так, что с уменьшением громкости относительное содержание высокочастотных составляющих в сигнале уменьшается. Кроме того, спектральная характеристика чувствительности слуха (см. гл. 2) также зависит от уровня громкости: на слабых сигналах полоса про- пускания слухового анализатора уменьшается. Поэтому, если ограничить поло- су пропускания со стороны высоких частот во время тихих пассажей, то качест- во воспроизведения звука практически не ухудшится, а высокочастотные состав- ляющие шума будут подавлены. При передаче громких звуков полоса пропуска- ния расширяется, но шум при этом маскируется сигналом и шумоподавление не является необходимым. Входной сигнал поступает на фазовращатель, на выходе которого образу- ются сигналы, сдвинутые по фазе на 180°. Один из сигналов подается в канал обработки, где составляющие высоких частот выделяются, подвергаются авто- матической регулировке и затем суммируются с сигналом другого канала. По- скольку составляющие сигнала в полосе до 4,5 кГц через канал обработки не проходят, коэффициент передачи устройства для них равен единице. Для высокочастотных составляющих коэффициент передачи зависит от уровня. По результирующей амплитудной характеристики (рис. 6.17,г), пред- 194
ставляющей собой разность характеристик прямого канала (рис. 6.17,6) и ка- нала обработки (рис. 6.17,е), видно, что для сигналов малого уровня коэффи- циент передачи уменьшается, что и означает ограничение полосы пропускания и, следовательно, уровня шумов. Шумоподавитель DNL улучшает отношение сигнал-шум на частоте 6 кГц примерно на 5 дБ, а на частотах выше 10 кГц на 20 дБ. Как и другие дина- мические шумоподавители, описанное устройство совместимо с любой аппара- турой, поскольку не требует предварительной обработки сигнала в канале пе- редачи или записи. 6.7. ЧАСТОТНЫЕ КОРРЕКТОРЫ В звукорежиссерских микшерных пультах, на входах и выхо- дах линий связи, в усилителях имеются устройства частотной об- работки звуковых сигналов — частотные корректоры, состоящие из фильтров различных типов. В радиовещании находят примене- ние фильтры подъема верхних частот, фильтры плавного подъема и спада НЧ и ВЧ, фильтры среза НЧ и ВЧ, фильтры «присутст- вия», графические корректоры (эквалайзеры) и др. Фильтры плавного подъема и спада АЧХ (рис. 6.18,а) позво- ляют звукорежиссеру изменять в широких пределах спектральные характеристики отдельных источников в области нижних и верх- Рис. 6.18. Амплитудно-частотные характеристики корректоров плавного подъема и спада (а), среза (6), присутствия (е), обработки речи (г) 195
них частот звукового диапазона. Обычно с помощью таких фильт- ров можно регулировать сигнал на крайних частотах до ±20 дБ плавно или ступенями и тем самым добиваться наиболее естест- венного звучания при некоторых акустических дефектах студии, несовершенстве микрофонов или не совсем удачном их располо- жении. Можно выделить или, наоборот, подавить отдельные уча- стки спектра, можно подчеркнуть характерные оттенки исполне- ния, изменить в значительной степени характер звучания, чтобы придать ему новизну и оргинальность. Субъективно применение любого фильтра воспринимается как изменение тембра первичного сигнала. Фильтры среза (рис. 6.18,6) также позволяют изменять харак- тер звучания. Например, можно создать такие звуковые эффекты, как «разговор по телефону», «передача по радио» и др. Эти фильтры помогают избавиться от мешающих призвуков при ис- полнении на некоторых инструментах, уменьшить влияние низко- частотных и высокочастотных помех при студийных записях, при реставрации старых записей. Но чаще всего их используют для ослабления низкочастотного фона (от освещения, блоков питания) или высокочастотного шума магнитной ленты. Фильтры присутствия получили название в связи с тем, что при их использовании как бы обеспечивается эффект присутствия слушателей около исполнителя или исполнителя около слушате- ля. Эти фильтры позволяют подчеркнуть область средних частот (рис. 6.18,б), где расположены певческие и инструментальные форманты, что делает звучание певцов-солистов или отдельных инструментов более сочным и ярким, как бы выделенным из об- щей звуковой картины и приближенным к слушателю вещатель- ных программ. Обычно фильтры присутствия позволяют выделять относи- тельно узкие участки спектра в диапазоне частот 700.. .4000 Гц при подъеме до 10 дБ. Резонансная частота фильтров присутствия выбирается с помощью переключателя. Чаще всего в качестве ре- зонансных выбираются частоты: 0,7; 1,4; 2,0; 2,8 и 4 кГц. Для подчеркивания сигнала солиста наиболее часто выделяют область частот около 2,8 кГц, так как известно, что наличие ярко выра- женной певческой форманты в области частот 2,8.. .3,2 кГц при- дает голосу тембральную яркость. В современных пультах с помощью фильтров можно не только осуществлять подъем в области средних частот, но и вырезать часть спектра. В последние годы появились новые устройства для частотной обработки сигналов — графические корректоры (эквалайзеры). У них положение ручек регуляторов уровня представляет собой как бы график АЧХ (рис. 6.19,а), отсюда и название графические. За рубежом они называются эквалайзерами — выравнивателями спектра. 196
a) Рис. 6.19. Расположение ручек регуляторов уровня графического корректора (а) н его амплитудно-частотная характеристика (б) Из АЧХ графического корректора, приведенного на рис. 6.19,6, видно, что по своим возможностям он практически перекрывает возможности рассмотренных корректоров. Во всем частотном диа- пазоне графические корректоры позволяют осуществлять регули- ровку в диапазоне уровней не менее ± 12 дБ. 6.8. УСТРОЙСТВА ИСКУССТВЕННОЙ РЕВЕРБЕРАЦИИ Устройства искусственной реверберации — ревербераторы и линии задержки — используют для временной обработки сигналов в виде отдельных устройств и подключают к микшерному пульту через специальные реверберационные линейки (рис. 6.20,а). С вы- хода микрофона сигнал поступает в основной канал 1 микшерного пульта и на вход системы искусственной реверберации, с выхода которой он подается в канал п микшерного пульта и затем на 197
Рнс. 6 20. Схемы включения ревербераторов шину Ш, где и подмешивается к основному сигналу. Как извест- но, для речевых студий рекомендуется время реверберации при- мерно 0,5 с, а для музыкальных обычно 1,5. ..2 с. С помощью си- стем искусственной реверберации можно получить время ревербе- рации 5.. .6 с и более Средства и аппараты, которые служат для создания искусст- венной реверберации, можно классифицировать следующим обра- зом: эхо-камерные, магнитные (магнитофонные), листовые (пла- стинчатые), пружинные и цифровые. Эхо-камеры — специальные помещения с большим временем реверберации — могут обеспечить высокое качество звучания лишь при соблюдении определенных требований к объему камер, их акустической обработке и степени звукоизоляции. Объем эхо- камеры должен быть не менее 120 м3. Для увеличения времени реверберации, определяемого по формуле Себина, эхо-камере при- дают неправильную форму с непараллельными полом и потолком. Для повышения диффузности поля стены эхо-камеры делают рас- сеивающими, размещая на них большое число жестких клинооб- разных выступов В составе литдрамблоков крупных радиодомов и телецентров страны имеются гулкие комнаты, которые обычно и используют 198
Рис 6 21. Сечение листового ревербератора (й) и зависимость его времени ревер- берации от частоты при различных расстояниях между панелью и листом (б) для повышения реверберации исходных звуковых сигналов. Магнитный ревербератор представляет собой магнитофон с магнитным барабаном или со склеенной в кольцо магнитной лен- той с несколькими воспроизводящими головками. Входной сигнал через усилитель записи подается на головку записи ГЗ и записы- вается на магнитную ленту (рис. 6.20,6). При движении ленты этот сигнал поочередно воспроизводится головками воспроизведе- ния ГВ,, ГВ2,... ,ГВ„, сигналы через усилители и регуляторы уровня подаются на шину Ш (сумматор), а суммарный сигнал поступает на выход. Время реверберации магнитного ревербератора определяется по формуле 7"=Зт/(—lg q), где x—llv — время задержки; q — мо- дуль коэффициента обратной связи по амплитуде; I — длина лен- ты между головками; v — скорость движения ленты. Листовой ревербератор представляет собой тонкий стальной лист толщиной 0,4.. .0,5 мм, в котором для получения ревербера- ции используют изгибные колебания. Размеры первых листовых ревербераторов (рис. 6.21,а) 1X2 м. Лист подвешен четырьмя уг- лами на амортизированной раме. Колебания возбуждаются возбу- дителем — вибратором, представляющим собой электродинамиче- ский преобразователь с коническим острием, приваренным к ли- сту. В качестве виброснимателя применяют пьезоэлектрический датчик из титаната бария, который помимо прямой бегущей вол- ны изгиба снимает серию затухающих волн, отраженных от гра- ниц листа. В отличие от магнитного ревербератора, действие которого можно смоделировать одномерной системой, листовой ревербера- тор моделирует колебания в двумерном плане (в плоскости). Сле- довательно, листовой ревербератор делает картину затухания бо- лее естественной, характеризуемой трехмерными акустическими колебаниями в помещениях. Время реверберации изменяется простыми и надежными меха- ническими средствами. Приближение стального листа к панели из микропористого звукопоглотителя усиливает затухание колебаний 199
листа и, следовательно, уменьшает время реверберации; удаление от панели увеличивает время реверберации (рис. 6.21,6). Время реверберации листового ревербератора /'=6,9/6= = 13,8 Mjr, где 6=г/2Л1— показатель затухания; М— масса еди- ницы поверхности листа; г — активная составляющая сопротив- ления излучения листа. Пружинный ревербератор по принципу действия близок к лис- товому, но в нем задержка обеспечивается за счет колебаний ме- таллической пружины, к одному из концов которой прикрепляется излучатель, а к другому — приемник колебаний. Наиболее перспективными в настоящее время являются циф- ровые ревербераторы и линии задержки. Современные достижения микросхемотехники и микропроцессорной техники позволяют со- здавать высококачественные цифровые ревербераторы с больши- ми технологическими возможностями при сравнительно небольших размерах (см. § 7.10). 6.9. ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ ПРИ ОБРАБОТКЕ Вполне естественно, что при обработке сигналов звукового ве- щания с помощью корректоров, авторегуляторов уровня, ревербе- раторов и других устройств параметры сигналов изменяются. Наи- большее влияние оказывает динамическая обработка, изменяю- щая относительную среднюю мощность сигнала Ро.Ср, под которой понимается отношение средней мощности реального сигнала зву- кового вещания Рс к мощности синусоидального сигнала номи- нального уровня Psin, полученное путем усреднения за определен- ный интервал времени (секунду, минуту, час, сутки и т. д.): -f’o.cp=/’c/Psiir Полученный энергетический выигрыш часто выра- жают в децибелах: AN=10 lg PQcp. При изменении времени срабатывания от 1 до 5 мс средняя мощность сигналов остается практически постоянной. На среднюю мощность сильно влияет время восстановления компрессора. Но это влияние тесно связано и со степенью сжатия. Чем больше сте- пень сжатия d'K и чем меньше время восстановления tBOC, тем больше энергетический выигрыш. В пределе при /в<к^-0 энергети- ческий выигрыш численно приближается к степени сжатия. При применении компрессора с ZBoc = 480 мс уровень средней мощно- сти увеличивается примерно на 3 дБ, однако уменьшение времени восстановления компрессора от 480 до 120 мс при степени сжатия 18 дБ снижает приращение средней мощности до 0,5 дБ. Энергетические параметры нестационарных звуковых сигналов речи и музыки имеют большое значение для определения загруз- ки междугородных каналов звукового вещания (МКЗВ). В МКЗВ 200
тех типов, где для шумопонижения применяют корректирующие контуры и компандерные системы, за счет этих устройств средняя мощность сигналов и, следовательно, загрузка каналов существен- но увеличивается. Значение долговременной относительной сред- ней мощности на выходе корректора МКЗВ увеличивается до 0,38 по сравнению с 0,14 на выходе радиодома, т. е. в 2,7 раза, а уро- вень среднеминутной относительной мощности увеличивается с 0,25 до 0,80, т. е. в 3,2 раза. Применение компрессоров способствует повышению разборчи- вости речи. Из анализа распределения амплитуд речевых сигна- лов видно, что если отрегулировать уровень модулирующего сиг- нала так, чтобы наиболее громкие звуки вызывали модуляцию несущей на 100%, то средний коэффициент модуляции составит примерно 0,2, т. е. 20%. От коэффициента модуляции передатчи- ка зависит мощность боковых полос, представляющих собой по- лезную излучаемую мощность, определяющую громкость приема. Очевидно, что при неглубокой средней модуляции помехоустой- чивость передачи сравнительно низка, поскольку при приеме ти- хие звуки маскируются помехами и мощность передатчика в сред- нем используется не полностью. Улучшить помехоустойчивость пе- редачи можно, сжимая динамический диапазон, т. е. увеличивая уровень слабых звуков до уровня сильных. При приеме это прояв- ляется в виде повышения средней громкости и разборчивости речи, что эквивалентно включению более мощного передатчика. Напри- мер, если среднее значение коэффициента модуляции передатчика увеличить с 0,2 до 0,4 (в 2 раза), то средняя мощность боковых полос возрастает в 4 раза. Такое «умощнение» передатчика про- исходит за счет улучшения его КПД (отношения мощности боко- вых полос к полной излучаемой мощности) при сохранении преж- ней максимальной мощности. Наибольший эффект применения компрессоров наблюдается тогда, когда самые слабые звуки «подтягиваются» почти до уров- ня самых сильных. Амплитудная характеристика таких компрессо- ров похожа на характеристику ограничителя (почти горизонталь- ная), причем ограничение начинается при уровнях, находящихся на 20...30 дБ ниже максимальных уровней, соответствующих громким звукам. Такой метод динамической обработки сигналов близок к «предельной» компрессии динамического диапазона. О его эффективности можно судить по рис. 6.22, из которого вид- но, что минимально допустимое при связи значение разборчиво- сти 60% можно получить при предельной компрессии и отношении сигнал-помеха 6 дБ, в то время как при отсутствии компрессии отношение сигнал-помеха должно быть не менее 14 дБ. Таким об- разом, выигрыш в помехоустойчивости достигает 8 дБ. Для радиовещания применять предельную компрессию (или близкую к ней) нельзя, так как при этом существенно ухудшает- ся качество звучания передач. Для радиовещания применяют бо- 201
Рис. 6.22. Зависимость смысловой раз- борчивости речи на приемном конце от отношения сигнал-шум при предельной компрессии (/) и без нее (2) лее слабое сжатие — около 10 дБ. При таком компромис- сном решении средняя глубина модуляции передатчика увеличи- вается примерно в 2 раза, не- сколько увеличивается разбор- чивость (в условиях больших шумов) и остается высоким качество звучания речи. Разборчивость можно повысить также с помощью фильтра оп- тимальной обработки речи, частотная характеристика которого приведена на рис. 6.18,г. За счет среза низших, частот (ниже 250 Гц) уменьшается «бубнежка», мешающая разборчивости. За счет подъема средних частот в области 3... 5 кГц подчеркиваются вторая и третья форманты речевых сигналов, что также способст- вует повышению разборчивости. При этом звучание становится громче, звонче. 6.10. ИЗМЕРИТЕЛИ УРОВНЯ Измерители уровня (ИУ) звуковых сигналов бывают пиковые, квазипиковые, средних и минимальных значений. В соответствии с ГОСТ 21185-75 во всех каналах и трактах звукового вещания должны устанавливаться квазипиковые измерители уровня. Квазипиковый уровень — уровень огибающей амплитудных зна- чений напряжения сигнала звукового вещания, измеряемый с по- грешностью, обусловленной временными характеристиками при- меняемого прибора. Номинальный уровень — уровень напряжения непрерывного синусоидального сигнала частотой 1000 Гц на входе измерителя уровня, при котором показания равны 0 дБ (100%). Уровни напряжения стационарных звуковых сигналов можно измерять и вольтметрами. Однако вследствие инерционности эти приборы совершенно непригодны для контроля уровней сигналов звукового вещания. Время интеграции большинства вольтметров более 500 мс. А реальные сигналы звукового вещания могут быть гораздо менее длительными, например длительность одного слога составляет в среднем примерно 200 мс. Поэтому вольтметры «не- допоказывают» максимальные уровни речевых сигналов на 15... ... 20 дБ и более. Для музыкальных произведений это значение за- висит от характера музыки. Приборы для контроля уровней вещательных передач должны регистрировать любые вещательные сигналы, как длительные, так и короткие. Их показания не должны зависеть от полярности от- 202
дельных импульсов напряжения. В то же время от них не требу- ется очень высокой точности отсчета, да ее и невозможно полу- чить, учитывая характер непрерывно изменяющихся сигналов. В зависимости от назначения различают два типа квазипико- вых ИУ: первого типа, предназначенные для оценки уровня сиг- налов звукового вещания в процессе его оперативного регулирова- ния (приборы для оперативного контроля) и имеющие большой диапазон измеряемых уровней 44 ...65 дБ, и второго типа, пред- назначенные для оценки уровня сигналов звукового вещания в точках тракта, где не производится оперативной регулировки уровней (приборы для эксплуатационного контроля); они проще по устройству, но имеют диапазон измерений всего лишь 23 дБ. Так как измерители уровня предназначены и для контроля на- пряжения в трактах звуковой частоты, то к ним предъявляются те же технические требования, что и к обычным электронным при- борам для измерения напряжения: нормируются чувствительность и входное сопротивление, тип шкалы и точность градуировки, ра- бочий диапазон частот и погрешность в зависимости от частоты, динамический диапазон и др. Но в отличие от обычных приборов ИУ контролируют уровни нестационарных сигналов. Поэтому ос- новными техническими характеристиками для ИУ являются ди- намические (временные). Различают следующие четыре динамические характеристики ИУ: время интеграции tK — длительность одиночного радиоимпуль- са номинального уровня с частотой заполнения 5 кГц, при воздей- ствии которого указатель показывающего прибора ИУ доходит до отметки —2 дБ (80%); время срабатывания указателя tcp— интервал времени между моментом подачи непрерывного гармонического сигнала частотой 1000 Гц номинального уровня на вход ИУ и тем моментом, когда указатель показывающего прибора доходит до отметки —1 дБ; время возврата указателя tB — интервал между моментом вы- ключения непрерывного гармонического сигнала номинального уровня частотой 1000 Гц на входе ИУ и тем моментом, когда ука- затель показывающего прибора доходит до отметки —20 дБ (Ю%); „ переброс указателя б — разность между максимальным пока- занием при скачкообразной подаче непрерывного гармонического сигнала на вход ИУ и его показанием в стационарном режиме, т. е. после успокоения подвижной системы. Переброс выражает- ся в децибелах или процентах относительно показания в стацио- нарном режиме. Основным из этих параметров является время интеграции, ха- рактеризующее способность прибора регистрировать короткие звуковые сигналы. Для квазипиковых измерителей уровня обоих типов оно должно составлять 5 мс. Как уже указывалось, это зна- 203
Линейная а) -50 ~40 -30 -20 -10 -5 О +5 дБ 0) ВУ УЗУ Д ИЦ Лог У ПТ пп в) Рис. 6.23. Динамическая характеристика (о), виды шкал (б), а также структур- ные схемы измерителей первого (в, г) и второго (д') типа чение получено, исходя из заметности нелинейных искажений сигналов различной длительности. Время интеграции определяет- ся по динамической характеристике (рис. 6.23,а). Время возврата для ИУ обоих типов нормируется различно. Для приборов первого типа оно должно составлять (1,7+0,3) с, для приборов второго типа (3+1) с. Это объясняется их различ- ным назначением. Чем больше время возврата, тем более завы- шены показания ИУ для сигналов низкого уровня, следующих по- сле сигналов высоких уровней. Показания приборов первого типа с временем возврата 1,7 с более точно отражают минимальные уровни и соответственно динамический диапазон измеряемых уровней. Это очень важно, так как такие приборы предназначены прежде всего для звукорежиссеров, одной из основных функций 204
которых является именно регулирование динамического диапазона передачи. Для ИУ второго типа главным является фиксация квазимакси- мальных уровней, обеспечение возможности определения по ним превышения номинального уровня (0 дБ). А это легче реализо- вать, когда время возврата сравнительно велико: 3...4 с. Размер переброса указателя показывающего прибора должен быть не более 1 дБ (12%). При большем значении показания уровней оказываются слишком завышенными по сравнению с их действительным значением и, как следствие этого, недомодуляция передатчиков. Важным параметром ИУ является динамический диапазон из- меряемых уровней. Приборы первого типа должны иметь боль- шой динамический диапазон: —40 ... -|-4 дБ или —50 ...4-5 дБ. Участок школы —50...0 дБ называется рабочим, а 0...5 дБ — участком перегрузки. Такого динамического диапазона вполне до- статочно, хотя в последнее время и появились ИУ отечественного и венгерского производства с диапазоном —60... 4-5 дБ (в соот- ветствии с требованиями МЭК 268-10А). Шкалы ИУ обоих типов градуируются в децибелах и процен- тах относительно номинального уровня. Иногда градуировка про- изводится в децибелах и в вольтах эффективных. В ГОСТ 21185-75 нормируется также погрешность ИУ. Так как ИУ предназначены для измерения нестационарных сигналов, то погрешности допускаются сравнительно большие. Так, основная погрешность ИУ вблизи отметки номинального уровня (0 дБ) до- пускается до ±0,3 дБ, т. е. ±3,5%. С понижением уровня откло- нения увеличиваются. Дополнительные погрешности ИУ обоих ти- пов, обусловленные изменением температуры, напряжения пита- ния, рабочего режима, продолжительности непрерывной работы и других факторов, регламентируются соответствующей нормативно- технической документацией. Точность отсчета при светящихся указателях ИУ зависит так- же от их яркости. Яркость современных светодиодов 10 ... 40 кд/м2) что при диаметре светодиода 5 мм соответствует силе света 0,5... ...2 мкд. Этого вполне достаточно для восприятия свечения свето- диода без напряжения зрения. Яркость же газоразрядных трубок ИН-13 недостаточна. При наблюдении по таким приборам прихо- дится напрягать зрение. Частотный диапазон ИУ должен соответствовать частотному диапазону тракта, где устанавливается ИУ. Однако чаще всего, когда в технической документации не указаны другие значения, частотный диапазон ИУ выбирается в пределах 31,5... 16 000 Гц с неравномерностью не более ±0,5 дБ. За пределами частотного ди- апазона не должно быть подъема АЧХ. Более того, рекомендуется обеспечить спад АЧХ с крутизной не менее 6 дБ на октаву. Номинальный входной уровень ИУ выбирается, исходя из су- 205
Таблица 6.1 Тип ИУ Время интегра- ции. мс Время сраба- тывания, мс Время возврата, с Переброс, ДБ Динами- ческий диапазон, ДБ Диапазон частот Гц Неравно- мерность АЧХ, дБ Пер- вый 5 100. .200 1,7+0,3 1 —40...+4 —50...+5 31,5... 16 000 +0,5 Вто- рой 5 100. .200 3,0±1,0 1 —20...+3 31,5... 16 000 +0,5 Шествующей диаграммы уровней для точек тракта, к которым под- ключается ИУ. Рекомендуется выбирать номинальный уровень ИУ из следующих значений: 0 дБ (0,775 В), 6 дБ (1,55 В), 9 дБ (2,2 В), 12 дБ (3,1 В) и 15 дБ (4,4 В). Основные параметры ИУ первого и второго типов приведены в табл. 6.1. Входное сопротивление ИУ выбирают из тех соображений, что- бы при его подключении не происходило шунтирования контроли- руемой цепи. Если исходить из сопротивления нагрузки 600 Ом, то для выполнения этого условия необходимо обеспечить входное сопротивление не менее 6 кОм. Если сопротивление нагрузки 5 кОм, как это принято во многих микшерных пультах, то вход- ное сопротивление ИУ должно быть соответственно порядка 50 кОм. У большинства современных ИУ входное сопротивление больше 10 кОм. ГОСТ рекомендует три характерных вида шкалы: линейную, логарифмическую и S-образную (рис. 6.23,6). Линейная шкала бывает только у ИУ второго типа. Недостаток ее — небольшой ди- апазон измерений — устраняется при логарифмической шкале. Для получения логарифмической шкалы применяют преобразова- тель—логарифматор, который позволяет получить практически любой диапазон измерений. Однако при логарифмической шкале появляется другой недостаток — оказывается слишком сжатой об- ласть шкалы вблизи наиболее важной части — около отметки 0 дБ. Приборы с S-образной шкалой сочетают в себе достоинства первых двух: большой динамический диапазон измерений при до- статочно растянутой области вблизи номинального уровня 0 дБ. Рассмотрим блоки, входящие в состав структурных схем изме- рителей уровня (рис. 6.23,6—д). Входное устройство ВУ обеспечивает большое входное сопро- тивление, симметричность входа и регулировку чувствительности. Симметричность входа нужна для того, чтобы подключать ИУ как к несимметричным, так и к симметричным контролируемым цепям. Раньше симметрия входа обеспечивалась входным трансформато- 206
ром, сейчас чаще всего применяют операционный усилитель с диф- ференциальным включением. Регулировка чувствительности необ- ходима для возможности подключения ИУ к точкам тракта с раз- личным номинальным уровнем. Усилитель звуковых частот УЗЧ выполняет три основные функ- ции: обеспечивает электрическую развязку детектора и контроли- руемой цепи, так как непосредственное подключение детектора к контролируемой цепи может вызвать большие нелинейные иска- жения; усиление сигналов до значения, необходимого для детек- тирования; низкое выходное сопротивление, которое входит в цепь заряда интегрирующей цепи (при большом выходном сопротивле- нии УЗЧ невозможно получить нужное время интеграции 5 мс). При использовании детектора на операционных усилителях по- следние две функции переходят непосредственно к детектору. Детектор в ИУ также имеет ряд особенностей. Он всегда вы- полняется по двухполупериодной схеме, так как вещательные сиг- налы могут быть несимметричными. При однополупериодном де- тектировании возможна ситуация, когда в тракте существует перегрузка, а ИУ этого не показывает (контролируется другой по- лупериод). Кроме того, для детектирования используют по воз- можности линейный участок амплитудной характеристики. И на- конец, поскольку в квазипиковых ИУ постоянные времени разря- да тР и заряда т3 имеют соотношение тр~1000т3, то примерно таким же должно быть и соотношение разрядного и зарядного со- противлений: /?р=1000Яз. В противном случае трудно обеспечить требуемое малое (Ц = 5 мс), либо большое (4=4 с) значение вре- мени возврата. Интегрирующая цепь (ИЦ) является основным звеном, опре- деляющим два самых важных динамических параметра: время ин- теграции и время возврата. Логарифматор Лог (рис. 6.23,б) служит для расширения дина- мического диапазона измеряемых уровней. В схеме на рис. 6.23,г эту функцию при необходимости может выполнять делитель на- пряжения ДН. Роль УПТ и ключевых схем КС — развязка пока- зывающего прибора от основной цепи. Компараторы Ком в схеме на рис. 6.23,г срабатывают при различных входных напряжениях ИУ, что и обеспечивает работу светодиодного показывающего прибора. 6.11. СТЕРЕОГОНИОМЕТРЫ И СТЕРЕОКОРРЕЛОМЕТРЫ В последнее время все более широкое распространение полу- чает стереофоническое радиовещание. Стереофонические передачи ведутся из специально оборудованных в радиодомах вещательных аппаратных. При проведении стереофонических передач особо 207
важное значение имеет хорошая организация субъективного (на слух) и объективного (по приборам) контроля их качества. Субъективный контроль осуществляется прослушиванием зву- кового материала в стереофонической радиовещательной аппарат- ной, для чего применяют два контрольных агрегата, расстояние между которыми (база) зависит от конфигурации, размеров и аку- стических параметров помещения. Контрольные агрегаты для сте- реофонического прослушивания должны быть однотипными, мак- симально идентичными как по данным объективных измерений, так и по результатам субъективного сравнения звучания в местах их постоянного функционирования. Объективный контроль при стереофонии выполняется по при- борам на выходе стереофонической вещательной аппаратной, на передающем центре и в службе технического контроля. В ходе пе- редачи по приборам контролируется уровень сигналов, стереофо- нический баланс и совместимость. Контроль уровней в каждом из каналов Л и П осуществляется с помощью двух идентичных стандартных квазипиковых ИУ с временем интеграции 5 мс при верности 80%. Для контроля сов- местимости стереофонической передачи с монофонической, а так- же для контроля стереофонического баланса применяют стерео- гониометры и стереокоррелометры, входы которых подключают параллельно входам измерителей уровня. Гониометры и коррело- метры во многом схожи по принципу действия, отличаются в ос- новном типом показывающего прибора. У гониометра в качестве показывающего прибора используется осциллографическая труб- ка, у коррелометра — стрелочный микроамперметр. Стереофонический баланс и совместимость оценивают по сте- реогониометру только качественно по формам фигур Лиссажу на Рис 6.24. Осциллограммы (о—д) и структурная схема стереогониометра МЭЗ-907 (е) 208
Рис 6 25 Электрическая схема стереокоррелометра экране трубки, без количественной их оценки (рис. 6.24а—д). Передача является совместимой, если весь экран трубки засвечен сложным узором с примерно одинаковыми размерами по различ- ным направлениям (рис. 6.24,а) или фигуры на экране трубки растянуты в основном вдоль вертикальной оси (рис. 6.24,6). Пе- редача несовместима, когда фигуры на экране растянуты вдоль го- ризонтальной оси (рис. 6 24,е). Если большая ось изображения на экране прибора длительное время имеет наклон к горизонтали, то это означает, что в переда- че нарушен стереофонический баланс. Например, изображение мо- жет быть наклонено влево (рис. 6.24,г) или вправо (рис. 6.24,6). Стереогониометрами (индикаторами фазирования) МЭЗ-907 оснащены многие аппаратные стереофонического радиовещания и звукозаписи радиотелецентров страны. В стереогониометре МЭЗ-907 (рис 6 24,е) входные сигналы левого Л и пра- вого П каналов поступают на суммарно-разностный преобразователь (СРП) С выходов СРП сигналы суммы Л + П и разности Л—П поступают на усили- тели вертикального У‘а+п и горизонтального Ул_.п отклонения луча электрон- но-лучевой трубки ЭЛТ. Усилители имеют автоматическую регулировку усиле- ния (логарифмирование), что позволяет наблюдать за разностью фаз в каналах в большом динамическом диапазоне сигналов звукопередачи В качестве СРП применены два идентичных трансформатора, каждый из которых имеет одну первичную и две вторичные обмотки Верхние обмотки трансформаторов вклю- чены синфазно, а нижние —• противофазно, благодаря чему получаются соответ- ственно суммарные Л + П и разностные Л—П сигналы К трансформаторам предъявляются жесткие требования по идентичности коэффициентов передачи во всем диапазоне измеряемых частот Другим типом прибора для оценки стереобаланса и совместимости является стереокоррелометр, состоящий из двух входных трансформаторов, двух детек- торов, собранных по мостовой схеме, интегрирующей цепи и стрелочного пока- 14—6697 209
зывающего прибора, включенного в измеряемую цепь по балансной схеме (рис. 6.25). На входы коррелометра подаются сигналы левого Л и правого П стерео- каналов. С учетом фазы включения вторичных обмоток трансформаторов Tpt и Трг на входах мостовых схем выпрямления сигналы соответственно равны Л + — П и Л—П. Выпрямители по отношению к показывающему прибору включены встречно. Поэтому, если преобладает суммарный сигнал Л+П с верхнего моста (случай монофонической звукопередачи), стрелка прибора отклоняется вправо. При противофазном включении входных сигналов преобладает разностный сиг- нал — с нижнего моста, стрелка прибора отклоняется влево. При стереофони- ческом сигнале стрелка находится в средней части шкалы. Настройка прибора осуществляется следующим образом. Сначала входы Л и П включаются синфазно и на них подается сигнал напряжением 3,6 В часто- той 1 кГц от одного генератора звуковых частот. При этом с учетом того, что Л = П. суммарный сигнал окажется равным 2Л, а разностный — нулю. Стрелка прибора отклоняется вправо. С помощью потенциометра /?1 стрелка устанавли- вается в крайнее положение. Затем на одном из входов меняется фаза включе- ния сигнала. При этом окажется Л-4-П=0, а Л—П = 2Л. Стрелка прибора от- клоняется влево. Одинаковые отклонения стрелки в обе стороны устанавлива- ются с помощью потенциометра 7?з. Контрольные вопросы 1. Какие преобразования называются обработкой сигналов звукового веща- ния и какова их задача? 2. Почему безынерционные ограничители не находят широкого применения в радиовещании? 3. Перечислите основные типы инерционных авторегуляторов уровня, ука- жите их назначение и место установки в трактах звукового вещания. 4. Каковы назначение и принцип действия регуляторов базы и направления? 5. Из каких соображений выбираются временные характеристики инерцион- ных ограничителей, компрессоров, шумоподавителей? 6. Нарисуйте и сравните форму сигналов на выходе безынерционного н инер- ционного ограничителей уровня. 7. Каков принцип действия речевого компрессора и почему не рекомендует- ся выбирать степень сжатия более 10 дБ? 8. Какова роль пороговых шумоподавителей в речевых компрессорах и в чем заключается особенность работы гистерезисных шумоподавителей? 9. Поясните графически эффективность действия компандерных шумопода- вителей. 10. Изобразите и поясните форму АЧХ различных корректоров: среза, подъ- ема и завала, присутствия, эквалайзера. 11. Каковы назначение и принцип действия магнитных листовых, пружин- ных, цифровых ревербераторов? 12. Как изменяются параметры звуковых сигналов (тембр, громкость, раз- борчивость, отношение сигнал-шум и др.) под влиянием устройств обработки? 13. Что называется временем интеграции измерителя уровня и из каких