РАДИОВЕЩАНИЕ  И ЭЛЕКТРОАКУСТИКА

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Звуковым вещанием называется процесс циркулярной передачи разнообразной звуковой информации широкому кругу территориально-рассредоточенных слушателей.

Звуковая информация может доставляться слушателям как по радио, так и по проводам. В соответствии с этим звуковое вещание подразделяется на радио и проводное вещание. История звукового вещания в нашей стране насчитывает около 100 лет. Первые опытные установки для этой цели были созданы в России в 80-90-х годах прошлого века. С тех пор техника звукового вещания прошла большой путь развития. В настоящее время проводным вещанием охвачены населенные пункты, в которых проживает 67% населения.

Звук является неотъемлемой частью телевизионных программ. Более 90% населения страны охвачены телевизионным вещанием, объем среднесуточного телевизионного вещания составляет около 500ч. Значительное распространение получило стереофоническое радиовещание. К 2000 году все население страны будет иметь возможность принимать стереофонические программы. Предполагается внедрение стереофонического звука в телевидении и передача стереофонических программ в гектометровом диапазоне. Одна из основных задач техники звукового вещания - это повышение ее качества. Решается она использованием 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. В последнее время в некоторых системах радиовещания, кроме звуковой передается дополнительная информация в частности сигналы идентификации программ, различные справочные и рекламные сведения. Наличие такой информации расширяет функциональные возможности радиовещания. Характер передачи определяет требования к студиям где происходит их формирование, а также к каналам связи, соединяющим студии со слушателями.

Освоение новых диапазонов волн, автоматизация процессов производства передач, переход к цифровым методам обработки сигналов, увеличение количества и качества программ, внедрение стереофонии - таковы основные направления совершенствования техники звукового вещания в настоящее время. Звуковое стереофоническое сопровождение стереофонического телевизионного вещания на многих языках осуществляется сетью синхронных спутников связи и специальных телевизоров для приема непосредственно из космоса. 

          1 СИСТЕМА ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ

 

          Система звукового вещания (ЗВ) представляет собой организационно-технический комплекс, обеспечивающий формирование и передачу звуковой информации общего назначения широкому кругу территориально рассредоточенных абонентов (слушателей).

          Организацией  ЗВ занимаются Телерадиовещательные корпорации. В их ведении находятся вопросы подготовки и формирования программ ЗВ, определения суточного объема вещания в часах последовательности передач во времени, выбора технических средств, предоставляемых предприятиями связи для распределения и передачи сформированных программ слушателям.

          Программы ЗВ готовятся редакциями, телевизионными агентствами, творческими объединениями, специализированными по типу передачи. Здесь осуществляется подбор материалов для передачи, авторов и исполнителей, режиссерские и репетиционные работы. В главных редакциях проводятся все работы до выпуска программы. Отдел выпуска (ОВ) составляет расписание и организует передачу программ. Отдел контроля (ОК) следит за техническим качеством программ.

Предприятия связи организуют сеть каналов ЗВ на первичной сети связи, а также сети радиопередающих средств и проводного вещания (ПВ).       Программы ЗВ представляют собой совокупность передач, составленных по определенному плану и имеющих определенную направленность. Передача - это законченная в тематическом отношении информация, адресованная широкому кругу абонентов.   

Техническая база системы ЗВ (рис.1.1) состоит из следующих функциональных частей - трактов: формирования программ; первичного и вторичного распределения программ; приема программ.

    Тракты формирования программ (ТФП) звукового вещания подразделяются на головной, республиканские и местные. В ТФП осуществляются процессы подготовки и выпуска программ ЗВ, их тиражирование, коммутация по входам соединительных линий к трактам распределения программ, контроль параметров качества, обеспечение надежности функционирования всего комплекса оборудования.

          Состав оборудования ТФП определяется числами и объемами создаваемых программ ЗВ. Технические средства ТФП входят  в состав радиодома. Аппаратно-студийный комплекс, входящий в ТФП помимо центральной аппаратной содержит большое число других аппаратных: студийные, записи, монтажные и радиовещательные. Все АСК оборудованы микрофонами, усилителями, магнитофонами, пультами звукорежиссера контрольно-измерительной аппаратуры и аппаратурой коммутации и распределения программ ЗВ.

Местные ТФП, имеющие как правило малый объем местного вещания содержит значительно меньшее число аппаратных , а функции центральной аппаратной выполняет радиовещательная аппаратная. Тракт первичного распределения программ ЗВ представляет собой организационно-технический    комплекс,     в   состав   которого   входят собственно   сеть   распределения   программ   ЗВ   а   также     системы

                                           

Тракт формиро-вания программ Головной

                                                                                        

                                                                                          

С и с т е м а   з в у к о в о г о   в е щ а н и я   Республиканские местные

                                                    

 

                                           

Тракт первичного распре-деления программ  Наземная сеть каналов распределения программ

                                                                                       

                                                                                          

Спутниковая сеть каналов распределения программ

                                           

                                                                                                                                                                                                                                

Тракт вторичного распре-деления программ  Сеть радиопередающих станций

                                                                                       

                                                                                          

Сеть проводного вещания

 

                                                                                                                                                                                           

Тракт приема программ Приемная сеть радиовещания

                                                                                        

                                                                                          

Приемная сеть проводного вещания

 

     

         Рис.1.1 Структурная схема системы ЗВ.

оперативно-технического управления и обслуживания этой сети.

    Сеть распределения программ ЗВ состоит из совокупности каналов ЗВ, организованных в системах передачи первичной сети (наземных, кабельных, радиорелейных, спутниковых), строится по радиально-узловому принципу с учетом административной подчиненности территорий.

    В составе тракта первичного распределения программ ЗВ функционируют следующие вещательные аппаратные: ЦКРА - центральная коммутационно-распределительная аппаратная, предназначенная для приема и контроля поступающих от АСК  ТРК программ ЗВ, выдачи программ в центральную междугородную вещательную аппаратную (ЦМВА), коммутации программы внешнего вещания, организации каналов ЗВ и распределения программ и РПС. ЦМВА - центральная междугородная вещательная аппаратная, предназначенная для приема поступающих от ЦКРА программ ЗВ, организации магистральных каналов распределения программ до региональных  узловых магистральных вещательных аппаратных (РУМВА), контроля и управления каналами;

РУМВА - региональная узловая магистральная вещательная аппаратная входящая в состав сетевого узла первичной сети и предназначенная для приема поступающих по магистральным каналам от ЦМВА программ ЗВ, организации магистральных каналов распределения программ до междугородных вещательных аппаратных (МВА) своего региона, контроля и управления каналами;

МВА - междугородная вещательная аппаратная, расположенная на оконечной междугородной станции (ОМС) первичной сети и предназначенная для приема программ по магистральным каналам от РУМВА, контроля этих каналов, организации внутризоновых каналов распределения программ ЗВ.

КРА - коммутационно-распределительная аппаратная, предназначенная для коммутации и распределения программ ЗВ по каналам звукового вещания (КЗВ) соединительных линий СЛ к РПС, радиовещательной аппаратной (РВА) и системе проводного вещания (СПВ).

    Тракт вторичного распределения программ ЗВ объединяет две сети: передающую радиовещания (РВ) и проводного вещания (ПВ).

    Передающая сеть РВ работает в диапазоне длинных (ДВ), средних (СВ), коротких (КВ) и метровых (МВ) волн.

    Для внутреннего вещания используются диапазоны ДВ, СВ, МВ и частично КВ, для внешнего вещания - преимущественно КВ и частично СВ.

    Сети ПВ делятся на городские и сельские, одно- и трехпрограммные.

    Тракт приема программ ЗВ формируется парком вещательных приемников (радио- и трансляционных), находящихся у населения.

    Таким образом, тракт формирования программ, тракты первичного и вторичного распределения программ образуют электрический канал звукового вещания ЭКЗВ. Это специальный комплекс технических средств, с помощью которого осуществляется формирование и доведение программы до слушателей. По ЭКЗВ сигналы звукового вещания передаются с выхода микрофона до антенны передатчика или абонентской розетки тракта проводного вещания.

    Совокупность ТПРП и ТВРП составляет вещательную сеть. ТФП представляет собой часть ЭКЗВ, которая начинается на выходе микрофона и заканчивается на выходе центральной аппаратной радиодома (радиотелецентра).

    Доведение программ непосредственно до слушателя осуществляется двумя способами: с помощью радиовещательных станций и с помощью систем проводного вещания. Они оба используются одновременно, т.к. у каждого из них свои преимущества и недостатки. 

 

2 АКУСТИЧЕСКИЙ СИГНАЛ, ЕГО СВОЙСТВА И СЛУХОВОЕ  

    ВОСПРИЯТИЕ

 

2.1 Звуковое поле

 

Звуковым полем называют пространство, в котором происходит распространение звуковых колебаний. Звуковые колебания в жидкой и газообразной средах представляют собой продольные колебания, так как частицы среды колеблются вдоль линии распространения звука. Вследствие этого образуются сгущения 1 и разряжения 2 среды, двигающиеся от источника колебаний (рис.2.1) с определенной скоростью, называемой скоростью звука. Скорость звука в воздухе при температуре 20⁰С и нормальном атмосферном давлении приблизительно равна 340 м/с.

Волнообразное изменение плотности среды, вызванное звуковыми колебаниями, называют звуковой волной. Направление распространения звуковых волн - звуковым лучом, а поверхность, соединяющую смежные точки поля с одинаковой фазой колебания (например, точки максимального сгущения или разрежения), - фронтом волны. Звуковые лучи пересекают фронт волны под прямым углом. В общем случае фронт волны имеет сложную форму, но в большинстве практических случаев можно ограничиться соотношениями, полученными для плоской и сферической форм фронта, а иногда еще и цилиндрической.

Если период колебаний Т, то частота колебаний f = 1/T, а длина звуковой волны, равная расстоянию между соседними фронтами, находящимися в одинаковой фазе (см. рис. 2.1), -   = сТ = с/f, где с - скорость звука.

В системах связи и вещания частоты колебаний лежат в пределах от 20-30 до 15000 - 20000 Гц, соответственно длины звуковых волн - от 17-11,3 м до 2,27-1,7 см.

Частоты колебаний подразделяют на низкие, средние и высокие звуковые частоты. К низким относят частоты, лежащие в пределах от 20 до 200-500 Гц, к высоким звуковым частотам от 2000-5000 до 20000 Гц, к средним - промежуточные между высокими и низкими. Обычно для краткости прилагательное «звуковые» опускают, особенно в тех случаях, когда речь идет только об акустических процессах и трактах (и не рассматриваются вопросы, относящиеся к радиочастотам). Частоты, лежащие ниже 20 Гц, называют инфразвуковыми, а выше 20 кГц - ультразвуковыми.

Звуковое поле характеризует рядом линейных и энергетических величин.

 К линейным величинам относятся:

1. Звуковое давление. Положим, что давление среды в отсутствие звуковых колебаний равно р_а.с, это давление называют статическим. При прохождении звуковой волны давление в каждой точке среды будет непрерывно изменяться: в моменты сгущения частиц оно больше статического, а в моменты разрежения - меньше. Разность между мгновенным давлением р_а.м и статическим р_а.с в той же точке среды, т.е. переменная составляющая давления, называется звуковым давлением р = р_а.м - р_а.с.

Звуковое давление - величина знакопеременная. Давление р - сила, действующая на единицу площади, т.е. р = F/S. Поэтому за единицу давления в системе СИ принимают ньютон на квадратный метр, а в абсолютной CGS системе единиц - дину на квадратный сантиметр: 1 H/м² = 1 Па (паскаль) = 10 дин/см². В системах связи и вещания имеют дело с звуковыми давлениями, по амплитуде, не превышающими 100 Па, т.е., по крайней мере, в 1000 раз меньше, чем нормальное атмосферное давление.

2. Скорость колебаний. Если давления неодинаковы в соседних точках среды, то ее частицы стремятся сместиться в сторону минимального давления. При знакопеременной разности давлений возникает колебательное движение частиц среды около своего статического положения. Скорость колебаний этих частиц     = du/dt, где u - смещение частиц. Скорость колебаний обычно измеряют в метрах или сантиметрах в секунду. Не следует путать эту скорость со скоростью звука. Скорость звука - постоянная величина для данной среды и метеорологических условий, а скорость колебаний - переменная, причем если частица среды перемещается по направлению распространения волны, то скорость считают положительной, а при обратном перемещении частицы - отрицательной.

Рис. 2.2. К выводу уравнения движения

 

Определим связь между звуковым давлением и скоростью колебаний. Возьмем элементарный объем, заключенный между фронтами волн, находящимися на расстоянии r друг от друга, с боковыми поверхностями, расположенными вдоль звуковых лучей (рис. 2.2). Как видно из рисунка, среда в этом объеме находится под действием разности давлений p и p+ p, следовательно испытываемая ею сила

F = [p - (p + p)] S = - p S,

где S - площадь, выделенная на поверхности фронта волны. С другой стороны, по второму закону Ньютона сила инерции

F = m = r S ,

где m - масса среды, заключенной в этом объеме; - средняя плотность среды. Приравнивая обе силы, получаем

p = - r .

Так как p и  зависят как от координат, так и от времени, то, переходя к производным имеем

- .                                                                                         (2.1)

Это уравнение называется движением среды.

Рис. 2.3. К выводу уравнения непрерывности

 

          Деформация идеальной (невязкой) газообразной среды, появляющаяся при распространении в ней звуковой волны, является адиабатической, так как звуковые процессы происходят быстро, без теплообмена. Поэтому эти процессы подчиняются закону Бойля-Мариотта с поправкой Пуассона.

V₂/V₁ = (p₂/p₁)^-1/ ,

где  - показатель адиабаты; для воздуха   = 1,41.

          Выделим элементарный объем   (рис.2.3), как и в предыдущем случае. В статическом состоянии в нем находится определенное количество частиц среды. При звуковых колебаниях занимаемый ими объем непрерывно изменяется. Положим, что в некоторый момент времени частицы среды слева будут смещены на величину u, а справа  - на величину u+ u, тогда при условии непрерывности среды этот объем будет

V₂ = V₁+ (S+ S) (u+ u) - Su.

Разделим обе части выражения на V₁ и в правой части заменим V₁ на (S + 0,5 S) r.

          При пренебрежении членами второго порядка малости получим

 = 1+  +   .

Заметим, что последний член в этом выражении обусловлен расхождением (дивергенцией) фронта волны.

          При звуковых колебаниях полное давление газообразной среды  p₂ = p₁ + p₁ = p_а.с + p,

где p_а.с - статическое давление; p - звуковое давление. Следовательно, p₂/p₁ = 1 + p/ p_а.с. Подставив V₂/V₁ и p₂/p₁ в уравнение закона Пуассона, получим

1 +  +    = (1+ )^-1/ .

Как указывалось ранее, p<<p_а.с , поэтому

1 +  +    = 1 -  или  +    =  ,

Переходя к производным, находим

 =  +   .                                                                                  (2.2)

Это уравнение называют уравнением состояния среды. Если это уравнение продифференцировать дважды по t и переставить порядок дифференцирования, то получим

   =   +   .

Подставляя в него производную   из уравнения движения (2.1), получим уравнение для звукового давления

 =   .

заменяя в нем

,                                                                                                (2.3)

получим

 = c² .                                                                             (2.4)

          Это уравнение называют волновым уравнением Вебстера.

Общее решение волнового уравнения имеет вид

p = A( r ) .                                                                    (2.5) 

          Если в первую составляющую решения вместо t подставить t+ t, то для неизменности аргумента следует вместо r подставить r+ r = r+c t. Следовательно, первая составляющая представляет собой волну, распространяющуюся в сторону положительных значений r, вторая - в обратном направлении. Из тех же данных следует, что с - скорость распространения волны, так как c = r/ t.   Таким образом, скорость звука c = , т.е. определяется статическим давлением среды и ее плотностью.

3. Акустическое сопротивление. Разность давлений является причиной движения частиц среды, а разность потенциалов - причиной движения электрических зарядов. Скорость колебаний частиц среды аналогична скорости движения зарядов - силе тока. Аналогично электрическому сопротивлению введено понятие волнового акустического сопротивления. Удельным волновым акустическим сопротивлением называют отношение звукового давления к скорости колебаний. Удельным оно называется потому, что представляет собой сопротивление для единицы площади фронта волны. Для краткости его часто называют акустическим сопротивлением

                                                                                                  (2.6)

          Акустическое сопротивление определяется прежде всего свойствами среды. В ряде случаев оно зависит от частоты колебаний и от формы фронта волны. В общем виде оно комплексное:

,                                                                                               (2.7)

где  и q_a - активная и реактивная составляющие акустического сопротивления. Наличие реактивной составляющей свидетельствует о том, что между звуковым давлением и скоростью колебаний есть сдвиг фаз. Этот сдвиг определяется из соотношения

tg = q_a/ .                                                                                              (2.8)

 

          К энергетическим величинам относятся:

1. Интенсивность звука. Акустические колебания - частный случай механических колебаний, поэтому мгновенное значение акустической мощности, как и в механике, определяется произведением мгновенных значений силы F и скорости колебаний , т.е. P = F .  Если имеется в виду сила, действующая на единицу площади, т.е. давление, то следует говорить об удельной мощности колебаний P_уд (называемой вектором Умова), равной произведению звукового давления p и скорости колебаний  , т.е.

P_уд  = p = F /S = P/S.

          Если в рассматриваемой точке звукового поля мгновенные значения давления и скорости колебаний имеют одинаковый знак, то вектор Умова направлен в сторону распространения волны, т.е. энергия движется от источника звука; если они имеют разные знаки, то - против движения волны, т.е. энергия движется к источнику звука. Последнее возможно только при наличии сдвига фаз между звуковым давлением и скоростью колебаний и означает наличие реактивной составляющей мощности. Наибольший интерес представляет среднее значение удельной мощности колебаний I = , распространяющейся в положительном направлении, т.е. среднее значение потока энергии через единицу площади, двигающегося от источника звука к возможному приемнику звука. Это среднее значение называют интенсивностью или силой звука. Итак, интенсивность звука называют (среднее) количество звуковой энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению распространения звуковой волны. В системе СИ единица интенсивности Вт/м², а в абсолютной CGS системе единиц - эрг/с·см²:1 Вт/м² = 10³ эрг/с·см². Для периодических и сложных звуков интенсивность выражается формулами:

I = ;   I = ,                                                                      (2.9)

где T_макс >> 1/f_н; f_н - частота наиболее низкочастотной составляющей звука.

Для синусоидальных колебаний интенсивность звука

I = ,                                                            (2.10)

где p_m  и  - амплитуды звукового давления и скорости колебаний;   - сдвиг фаз между ними; p_э  - действующее значение звукового давления;   - модуль акустического сопротивления.

          Интенсивность звука представляет собой активную составляющую удельной мощности колебаний непрерывно колеблется в звуковом поле то в сторону распространения волны, то в обратную. Эта часть мощности представляет собой запас энергии в звуковом поле аналогично запасу энергии в электрическом и магнитном полях электрического тока.

2. Плотность энергии. Среднее количество звуковой энергии приходящееся на единицу объема, называют плотностью энергии. Единицей  плотности энергии в системе СИ является Дж/м³, а в абсолютной CGS системе - эрг/см³.

          Для определения связи между интенсивностью звука и плотностью энергии выделим объем по направлению движения волны (см. рис. 2.2). Энергия, находившаяся в нем к моменту рассмотрения и равная W=e V=e r S, выйдет из него за время t= r/c, где с - скорость звука; e  - плотность энергии. Поток этой энергии

W/ t = ce r S/ r = ce S.

Так как согласно определению интенсивность звука I= W/ S t , то, подставляя в него предыдущее выражение, получаем

I = ce S/ S = ce,

откуда

e = W/ V = I/c,                                                                                    (2.11)

а с учетом (2.10) находим

e_a/e_b = I_a/I_b = p²_a/p²_b.                                                                                     (2.12)

 

2.2 Плоская волна

 

Фронт плоской волны представляет собой плоскость. Согласно определению фронта волны звуковые лучи пересекают его под прямым углом, поэтому в плоской волне они параллельны между собой. Так как поток энергии при этом не расходится, интенсивность звука не должна была бы уменьшаться с удалением от источника звука. Тем не менее она уменьшается из-за молекулярного затухания, вязкости среды, запыленности ее, рассеяния и т.п. потерь. Однако эти потери так малы, что с ними можно не считаться при распространении волны не небольшие расстояния. Поэтому обычно полагают, что интенсивность звука в плоской волне не зависит от расстояния до источника звука.

Поскольку I=const, то амплитуды звукового давления и скорости колебаний тоже не зависят от этого расстояния:

p_m=const;  =const.

Выведем основные уравнения для плоской волны. Уравнение (2.4) имеет вид , так как dS/dr=0. Частное решение волнового уравнения для плоской волны, распространяющейся в положительном направлении, имеет вид p = p_me , где p_m  - амплитуда звукового давления; w - угловая частота колебаний;

w/c = = 2p/l  - волновое число.

Подставляя звуковое давление в уравнение движения (2.1) и интегрируя во времени, получим  скорость колебаний _me , где   _m = p_m/ c - амплитуда скорости колебаний.

Из этих выражений находим удельное акустическое сопротивление (2.6)  для плоской волны:

.                                                                             (2.13)

Для нормального    атмосферного       давления и температуры

20⁰С акустическое сопротивление c=412кг/м²·с=41,2г/см²·с. Акустическое сопротивление для плоской волны определяется только скоростью звука и плотностью среды и является активным, вследствие чего давление и скорость колебаний находятся в одинаковой фазе, т.е. y = 0 , поэтому интенсивность звука [см. ф-лу (2.10)] I = 0,5 p_{m m}=p_{э э,} где p_э и _э - действующие значения звукового давления и скорости колебаний. Подставляя в это выражение (2.13), получаем наиболее часто используемое  выражение для определения интенсивности звука

I = p²_э/ .                                                                                              (2.14)

 

2.3 Сферическая волна

 

Фронт такой волны представляет собой сферическую поверхность, а звуковые лучи согласно определению фронта волны совпадают с радиусами сферы (рис. 2.4). В результате расхождения волн интенсивность звука убывает с удалением от источника. Так как потери энергии в среде малы, как и в случае плоской волны, то при распространении волны на небольшие расстояния с ними можно не считаться. Поэтому средний поток энергии через сферическую поверхность с радиусом r_a (рис.2.4) будет тот же самый, что и через любую другую сферическую поверхность с большим радиусом r_b, если в промежутке между ними нет источника или поглотителя энергии. Следовательно, мощность звуковой волны

P_a = 4pr²_aI_a = 4pr²_bI_b,                                                                                  (2.15)

где I_a  и I_b - интенсивность звука для радиусов r_a и r_b. Отсюда получим квадратичный закон убывания интенсивности звука в сферической волне

I_a/I_b = r²_b/r²_a или I = I₁/r²,                                                                        (2.15a)

где I₁ - интенсивность на расстоянии единицы длины (обычно 1м) от центра сферы.

          Волновое уравнение для этого случая может быть получено из (2.4) путем подстановки в него выражения для поверхности шарового сектора S=Wr², где W  - телесный угол сектора, а r - расстояние от центра сферической волны.

          Так как dS/Sdr = 2Wr/Wr² = 2/r, то волновое уравнение (2.4) будет

.

Заменив в нем переменную p на pr, получим волновое уравнение  в более наглядной форме:

                                                              .

          Частное решение этого уравнения для расходящейся волны (распространяющейся в положительном направлении) имеет вид

p= ,                                                                               (2.16)

где p_m = p₁/r;                                                                                         (2.16a)

p₁ - амплитуда звукового давления на расстоянии единицы длины от центра сферы.

          Как видно из формулы, амплитуда звукового давления уменьшается с увеличением расстояния от центра источника сферической волны по гиперболическому закону.

          Подставляя выражение (2.16) в уравнение движения (2.1) и интегрируя его по времени, получаем уравнение для скорости колебаний в сферической волне:

.                                                            (2.17)

Из этого выражения следует, что скорость колебаний не совпадает по фазе с звуковым давлением (2.16). Из (2.16) и (2.17) получаем акустическое сопротивление для сферической волны

.                                                                           (2.18)

          Как видим, акустическое сопротивление содержит активную и реактивную составляющие [см.(2.7)]:

   и   .                                                       (2.18a)

Модуль этого сопротивления

,                                                              (2.18б)

где  - сдвиг фаз между звуковым давлением и скоростью колебаний (2.8):

.                                                                       (2.19)

Из выражения (2.18б) следует, что акустическое сопротивление в сферической волне по модулю никогда не превышает сопротивления в плоской волне [см. (2.13)]. А из выражения (2.19) следует, что чем больше отношение длины волны к ее радиусу (т.е. расстоянию от центра источника звука), тем ближе сдвиг фаз к 90⁰; с уменьшением этого отношения сдвиг фаз стремится к нулю, т.е. сферическая волна приближается к плоской. Например, для частоты 100 Гц (длина волны  = 340/100 = 3,4м) при расстоянии от центра источника звука 0,25 м сдвиг фаз получается равным 65⁰, а для частоты 5000 Гц ( = 6,8см) при расстоянии 1м сдвиг фаз получается около 0,5⁰.

          Интенсивность звука для синусоидальных колебаний в сферической волне определяется выражением (2.10) с учетом (2.18б):

I = .

Если в это выражение подставить значение  из (2.18б), получим, что интенсивность колебаний

I = .                                                                                   (2.20)

          Подставляя в (2.20) амплитуду звукового давления из (2.16а) и учитывая (2.15а), получаем

I = ,                                                                                   (2.21)

где I₁ = .

 

2.4 Цилиндрическая волна

 

Для цилиндрической волны интенсивность звука можно определить при условии, что поток энергии не расходится вдоль образующей цилиндра. Аналогично предыдущему случаю (см. рис.2.4) для высоты цилиндра h :

, т.е.                                                                    

I_a/I_b = r_b/r_a                                                                                                 (2.22)

или I=I₁/r, следовательно, для цилиндрической волны интенсивность звука обратно пропорциональна расстоянию от оси цилиндра.

Волновое ур-ние (2.4) в этом случае имеет вид                                                                         

,

так как dS/Sdr=1/r. Амплитуда звукового давления изменяется по закону функций  Бесселя первого и второго рода.

          В заключение объясним причину появления сдвига фаз между звуковым давлением и скоростью колебаний. Сдвиг фаз появляется только в тех случаях, когда звуковые лучи расходятся или сходятся. В случае плоской волны звуковые лучи идут параллельно, поэтому каждый слой среды, заключенный между соседними фронтами волны, отстоящими на одинаковом расстоянии друг от друга, имеет одинаковую массу. Массы этих слоев можно представить в виде цепочки одинаковых шаров (рис.2.5). Если толкнуть первый шар, то он дойдет до второго и сообщит ему поступательное движение, а сам остановится, затем также будет приведен  в движение третий шар, а второй остановится и так далее, т.е. энергия, сообщенная первому шару, будет передаваться последовательно все дальше и дальше. Реактивная составляющая мощности звуковой волны отсутствует. Рассмотрим случай расходящейся волны, когда каждый последующий слой имеет большую массу. Масса шара будет увеличиваться с увеличением его номера, причем сначала быстро, а потом все медленнее и медленнее (рис.2.6). Первый шар после столкновения отдает второму только часть энергии и двигается назад, второй приведет в движение третий, но затем тоже пойдет назад.

Таким образом, часть энергии будет отражаться, т.е. появляется реактивная составляющая мощности, которая определяет реактивную составляющую акустического сопротивления и появление сдвига фаз между давлением и скоростью колебаний. Шары, удаленные от первого, будут передавать почти всю энергию  шарам, находящимся впереди, так как их массы будут почти одинаковыми.

 

Рис.2.5. Передача энергии в             плоской волне

Рис. 2.6. Передача энергии в               сферической волне

 

          Если массу каждого шара взять равной массе воздуха, заключенной между фронтами волны, находящимися друг от друга на расстоянии полуволны, то чем больше длина волны,  тем резче будет изменяться масса шаров по мере увеличения их номеров, тем большая часть энергии будет отражаться при столкновении шаров и тем больший будет сдвиг фаз (2.19).

          Для малых длин волн массы соседних шаров отличаются незначительно, поэтому отражение энергии будет меньшим, что и следует из выражения (2.19)             

 

3 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СЛУХА

         

3.1 Слуховой аппарат

 

Особенности строения и свойства слуха человека имеют для радиовещания чрезвычайно большое значение. Они определяют технические требования к системе вещания, ее отдельным трактам и устройствам. Согласование технических средств передачи с субъективными характеристиками восприятия помогает достигнуть нужной информационной достоверности передаваемых сигналов, получить в процессе вещания семантическое и эмоциональное соответствие между первичными и воспринимаемыми звуковыми 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 наружного, среднего и внутреннего уха, доводящие звуковые колебания воздушной среды до чувствительных окончаний слуховых волокон нервной системы. В значительно меньшей степени исследованы процессы в самой нервной системе. Известно, что здесь акустический сигнал преобразуется в электрический и в результате сложного взаимодействия в сфере высшей нервной деятельности создается звуковой образ, адекватный реальному.

Ушная раковина 1 в области наружного уха (рис. 3.1,а) направляет принимаемые акустические колебания в слуховой проход 2, заканчивающийся барабанной перепонкой 3. В слуховом проходе как в звуковом резонаторе, настроенном на частоты, близкие к 2 кГц, происходит примерно трехкратное усиление звукового давления, воздействующего далее на барабанную перепонку 3. Она образует границу с областью среднего уха и соединена здесь с костно-мышечным рычажным механизмом в виде молоточка 4 и наковаленки 5. Мышечная ткань ножки наковаленки опирается на входной элемент внутреннего уха - мембрану овального окна 6 внутреннего уха 7. Рычажная система молоточек-наковаленка выполняет роль трансформатора колебаний барабанной перепонки, повышая звуковое давление на мембране овального окна для наибольшей отдачи энергии из воздушной среды среднего уха, сообщающейся с внешней средой через носоглотку 8, в область внутреннего уха 7, заполненную несжимаемой жидкостью - лимфой. Структура внутреннего уха (на рис. 3.1,б показана в развернутом виде) очень сложна, и рассматривается здесь схематически. Его полость 7 представляет собой сужающуюся к вершине трубку, свернутую в 2,5 витка 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 длине улитки располагается основная мембрана 12 - анализатор акустического сигнала. Она представляет собой узкую ленту из гибких связок (рис. 3.1,б), расширяющуюся к вершине улитки.   При   рассмотрении полости   внутреннего   уха    в поперечном сечении (рис.  3.1,в) кроме основной мембраны 12, можно видеть также костную (рейснерову) мембрану 13, отгораживающую жидкую среду вестибулярного аппарата от слухового; вдоль основной мембраны проходят слои окончаний нервных волокон 14 так называемого органа Корти, соединяющихся в жгут 15.

Действие внутреннего уха принято трактовать так. При колебаниях мембраны овального окна в жидкости внутреннего уха возникают упругие колебания, перемещающиеся вдоль основной мембраны от основания улитки к ее вершине. Структура основной мембраны аналогична системам резонаторов с резонансными частотами, локализованными по длине. Участки мембраны, расположенные у основания улитки, резонируют на высокочастотные составляющие звуковых колебаний, заставляют их колебаться, средние   реагируют  на

Рис.3.1. Строение периферического отдела органа слуха

 

среднечастотные, а участки, расположенные вблизи вершины, - на низкие частоты. Высокочастотные компоненты в лимфе быстро затухают и на удаленные от начала участки мембраны не воздействуют.

Резонансные явления, локализуемые на поверхность мембраны в виде рельефа, как это схематически показано на (рис.  3.1,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 таких клеток, а под ними находится внутренний ряд, так что общее число «волосковых» клеток, взаимодействующих между собой постоянно при деформациях мембраны составляет около 25000. Результатом этого сложного процесса является преобразование входного сигнала в электрическую форму, и после этого с помощью слуховых нервов выполняется его передача к слуховым областям мозга, где и формируется окончательная реакция на звуковое воздействие.

 

3.2 Восприятие по частоте

 

При звуковых колебаниях стремечко приводит в движение мембрану овального окна. Под действием этих колебаний мембрана круглого окна колеблется в такт с мембраной овального, так как лимфа практически несжимаема. Лимфа колеблется касательно к поверхности основной мембраны, поперек ее волокнам. На колебания лимфы отзываются (резонируют) в зависимости от частоты колебаний только вполне определенные волокна. Около геликотрема расположены наиболее длинные волокна, резонирующие на низких частотах, а в основании улитки (между овальным и круглым окнами) расположены наиболее короткие волокна, и они резонируют на высоких частотах. Сложный звук, состоящий из нескольких составляющих, далеко отстающих по частоте друг от друга, возбуждает несколько групп волокон (в соответствии с частотами составляющих).

С-эквивалент мембран овального и круглого окон; L-эквивалент геликотремы; L_k-эквивалент массы лимфы; I_k-скорость колебаний волокон

Рис. 3.2 Эквивалентная электрическая схема улитки

 

 Таким образом, основная мембрана служит частотным анализатором. Согласно теории Флетчера резонансная частота каждого из волокон определяется не только параметрами волокна как натянутой струны, но и массой лимфы, соколеблющейся с волокном. Это масса определяется расстоянием резонирующего волокна от овального окна. Поэтому на низких частотах в колебаниях участвует большая масса лимфы, а на высоких - меньшая. На рис.3.2 приведена эквивалентная электрическая модель слухового анализатора. Ток в каждом из параллельных звеньев (которые по параметрам эквивалентны волокнам основной мембраны) соответствует скорости колебаний волокна, последовательные индуктивности L_к - массе соколеблющейся лимфы.

Границы воспринимаемого слухом частотного диапазона довольно широки (20 - 20000 Гц). Избирательность слухового анализатора невелика, что следует из рис. 3.3, на котором приведено несколько кривых избирательности слуха для разных частотных  диапазонов. Полосы пропускания резонаторов слухового анализатора, определенные на уровне 0,71 от максимального значения, составляют на частотах 250; 1000 и 4000 Гц около 35; 50 и 200 Гц соответственно. Эти полосы пропускания носят название критических полосок слуха. Вследствие ограниченного числа нервных окончаний, расположенных вдоль основной мембраны, человек  запоминает   во   всем    диапазоне

Рис.3.3. Кривые избирательности слуха

 

 частот не более 250 градаций частоты, причем число этих градаций резко уменьшается с уменьшением интенсивности звука и в среднем составляет около 150, т.е. соседние градации в среднем отличаются друг от друга по частоте не менее чем на 4%, что в среднем приближенно равно ширине критических полосок слуха. Поэтому фильмы, снятые для кино со скоростью 24 кадров в секунду, можно демонстрировать на телевидении со скоростью 25 кадров в секунду и наоборот. При этом самые лучшие музыканты с абсолютным слухом не замечают разницы в звучании, так как расхождение в частотах колебаний не превосходит 4%. При расхождении на два кадра в секунду эту разницу можно обнаружить. При непосредственном сравнении двух тонов слушатель может обнаружить разницу в частотах тонов по их биениям до 0,5 Гц.

Звуки, имеющие широкополосные сплошные спектры, например шумы, возбуждают волокна всей основной мембраны. Вследствие слабой избирательности слуха происходит интегрирование этого спектра в каждой из критических полосок слуха, т.е. слух как бы превращает сплошной спектр в дискретный, состоящий из конечного числа составляющих по числу критических полосок слуха, охватывающих частотный спектр этого шума.

Введено понятие высоты звука, под которой подразумевают субъективную оценку восприятия звука по частотному диапазону. Так как ширина критической полоски слуха на средних и высоких частотах примерно пропорциональна частоте, то субъективный масштаб восприятия по частоте близок к логарифмическому закону. Поэтому за объективную единицу высоты звука, приближенно отражающий субъективное восприятие, принято октава: двухкратное отношение частот (1; 2; 4; 8; 16 и т.д). Октаву делят на части: полуоктава и третьоктавы. Для последней стандартизирован следующий ряд частот: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,15; 4; 5; 6,3; 8; 10, являющихся границами третьоктав. Если эти частоты расположены на равных расстояниях по частот, то получится логарифмический масштаб. Исходя из этого, для приближения к субъективному масштабу все частотные характеристики частот передачи звука строят в логарифмическом масштабе. Для более точного соответствия слуховому восприятию звука по частоте для этих характеристик принято особый, субъективный масштаб - почти линейный до частоты 1000 Гц и логарифмический выше этой частоты. Введены единицы звука под названием «мел» и «барк» (100 мел = 1 барку). В общем случае высота сложного звука не поддается точному расчету.

 

3.3 Порог слышимости

 

Если волокно основной мембраны при своих колебаниях недостает до ближайшей волосатой клетки (см. I рис. 3.4, на котором утрированно представлены волокна основной мембраны и клеток органа Корти), то человек не воспринимает звук. При увеличении амплитуды колебаний волокна, как только оно коснется ближайшей клетки (см. II рис. 3.4), произойдет раздражение нервного окончания, которое сразу же начнет посылать электрические импульсы в слуховой центр мозга; звук будет услышан. Этот скачкообразный переход из слышимого состояния в неслышимое и обратно называется порогом слышимости. Заметим, что абсолютная величина слухового ощущения на пороге слышимости невелика, но имеет конечное значение. Порогом слышимости также называют наименьшее значение раздражающей силы чистого тона, которое вызывает ощущение звука. Под раздражающей силой подразумевают интенсивность звука  или звуковое давление. Порог слышимости зависит от частоты: при 1000 Гц он равен около 10^-12 Вт/м². На рис. 3.5 приведены зависимости порогов слышимости от частоты, причем по оси ординат отложена интенсивность звука в логарифмическом масштабе. В сторону низких частот порог слышимости резко повышается (начиная с частоты 500 Гц), т.е. для появления слухового ощущения на низких частотах необходима более высокая интенсивность, чем, скажем, на частоте 1000 Гц. Так, на частоте 1000 Гц. В сторону высоких частот порог слышимости сначала снижается (чувствительность слуха повышается) в 8-10 раз по интенсивности ( на частоте 2000-4000 Гц), а затем начинает повышаться так же, как и на низких частотах. В ряде учебных пособий и справочников даются различные абсолютные значения и частотные зависимости порога слышимости. Эта разница обусловлена различием в методах измерения порога слышимости. На рис. 3.5 приведены пороги для одноухого 1  и двуухого 2 слушания; пороги, измеренные по давлению около ушной раковины 3 (для слушания на телефоне) и по

I -нет возбуждения (интенсивность звука ниже порога слышимости); II - возбуждение на пороге слышимости; III и IV - следующие ступени возбуждения

Рис.3.4. Возбуждение нервных окончаний при колебаниях волокон

 

давлению в точке звукового поля 1 (до введения туда головы человека, т.е. для слушания через громкоговоритель); существуют пороги, измеренные для фронтального падения звуковой волны (для приема звука спереди) и при всестороннем ее падении (при слушании в помещении).

 

3.4 Восприятие по амплитуде

 

При увеличении интенсивности звука выше пороговой, пока амплитуда колебаний волокон не увеличится настолько, чтобы коснуться еще одной клетки, слуховое ощущение остается постоянным. Как только одно из волокон прикоснется к следующей клетке (см. III рис. 3.4), слуховое ощущение еще раз повысится скачком, так как и эта клетка будет посылать электрические импульсы в слуховой центр. По мере увеличения интенсивности звука расширяется зона возбуждения основной мембраны - начинают колебаться и соседние волокна, также возбуждающие нервные клетки одну за другой. Каждая из них будет посылать свои импульсы в слуховой центр. Слуховое при этом будет нарастать скачками по мере увеличения числа возбужденных клеток. Такие скачки называют порогом различения интенсивности. Число этих скачков на средних частотах не превышает 250, причем на низких и высоких частотах это число резко уменьшается и в среднем по частотному диапазону составляет около 150. Наконец, при дальнейшем увеличении интенсивности появляется ощущение боли - наступает болевой порог (порог осязания). Болевой порог соответствует очень большой интенсивности. Наибольшая величина болевого порога наблюдается на частоте 800 Гц (около 1 Вт/м²). В сторону низких и высоких частот он медленно снижается.

Таким образом, и по амплитуде имеет место дискретное восприятие звука. Учитывая дискретность по частоте и по амплитуде, насчитывают во всей области слухового восприятия около 22000 элементарных градаций, что соответствует числу нервных окончаний.

Установлено, что для средних и высоких интенсивностей звука скачок получается при одинаковых относительных изменениях интенсивности. Вебер и Фехнер так сформулировали этот закон: одинаковые относительные изменения раздражающей силы вызывают одинаковые абсолютные изменения слухового ощущения, т.е. слуховое ощущение пропорционально логарифму раздражающей силы

E = a I+ C.                                                                                             (3.1)

На пороге слышимости, т.е. при I = I_п.с, слуховое ощущение равно нулю, поэтому имеем

0 = a I_п.с + C или С = -а I_п.с,

откуда получаем

E = a (I / I_п.с).

          Для оценки величины слухового ощущения была предложена единица под названием «бел» (а = 1). Эта единица соответствует десятикратному отношению интенсивностей, поэтому была введена еще и более мелкая единица - децибел (дБ), равная 0.1 бела. В этом случае слуховое ощущение в децибелах

E = 10 (I / I_п.с).                                                                                        (3.2)

Так как диапазон изменения интенсивностей от минимального порога слышимости до максимального болевого порога составляет 10¹³ раз, т.е. слуховое ощущение изменяется на 130 дБ, то величина элементарного скачка ощущения в среднем по диапазону амплитуд равна 0,8 дБ, т.е. соответствует изменению интенсивности звука в 1,2 раза. На самом деле элементарные скачки ощущения для средних и высоких значений слуховых ощущений получаются при изменении интенсивности в 1,10 раза,  т.е. скачки ощущения равны 0,4 дБ. Для низкого слухового ощущения скачки получаются равными 2-3 дБ.

 

3.5 Уровни

 

Вследствие логарифмического закона восприятия и широкого диапазона интенсивностей слышимых звуков для объективной оценки введено понятие уровня интенсивности

L₁ = 10 (I / I₀).                                                                                          (3.3)

За нулевой уровень условились принимать интенсивность I₀, близкую к пороговой интенсивности для нормального слуха на частоте  1000 Гц.    Эта   интенсивность    приблизительна       равна

10^-12 Вт/м². Следовательно, болевой порог интенсивности находится около 120 дБ.

          В соответствии с квадратичным соотношением между интенсивностью звука и звуковым давлением (2.12) уровень звукового давления

L_p = 20 (p / p₀).                                                                                       (3.4)

где p₀ - звуковое давление на нулевом уровне, определяемое равенством (2.20) для ; 10^-12 =  т.е. Па

          Плотность энергии прямо пропорциональна интенсивности [см. (2.11)], поэтому ее уровень

L_e = 10 ,                                                                                           (3.5)

где e₀ - плотность энергии, соответствующая нулевому уровню и определяемая из равенства (2.11)

e₀·333 = 10^-12, т.е. e₀ » 3·10^-15 Дж/м³.

          Из этих определений следует, что уровни (3.3), (3.4) и (3.5) практически равны друг другу при c=400 кг/с·м² и с = 333 мс. При таких условиях можно говорить об уровне звука безотносительно к параметрам звукового поля. Но так как акустическое сопротивление и скорость звука в зависимости от свойств среды и формы фронта волны могут значительно отличаться соответственно от 400 кг/с·м² и 333 м/с, то в общем случае эти уровни могут быть неодинаковыми. Однако для практики их можно считать совпадающими, поэтому в дальнейшем их различать не будем.

 

3.6 Громкость и уровень громкости звука

 

Уровень интенсивности характеризует звук только с физической стороны. Из предыдущего следует, что звуки разных частот при одном и том же уровне интенсивности могут оказаться и слышимыми и неслышимыми. Для оценки субъективного восприятия звука по уровню введен ряд характеристик. Одной из таких характеристик служит уровень слухового ощущения (или просто уровень ощущения), определяемый законом Вебера-Фехнера. Согласно определению (3.2) уровень ощущения

E = 10 ,                                                       (3.2a)

где L_п.с - уровень интенсивности звука на пороге слышимости.

          Таким образом, уровень ощущения представляет собой уровень интенсивности звука, находящийся над уровнем порога слышимости на той же частоте. Он учитывает зависимость порога слышимости от частоты и, тем самым, более точно характеризует субъективное восприятие звука на разных частотах, чем уровень интенсивности.

          При уровнях гораздо выше уровня порога слышимости этот уровень все же неточно характеризует восприятие звука. Поэтому были введены понятия громкости и уровня громкости, с помощью которых можно получить более точную оценку субъективного восприятия звука.

          Человек может довольно точно установить равенство громкостей двух звуков любого частотного состава. Это свойство слуха использовали для введения понятия уровня громкости. За эталон уровня громкости принимают уровень интенсивности чистого тона с частотой 1000 Гц. Единица уровня громкости называется фоном. Итак уровень громкости в фонах на частоте 1000 Гц равен уровню его интенсивности в децибелах. За уровень громкости (в фонах) любого другого звука L_G,x принимают уровень интенсивности в децибелах L_I равногромкого с ним тона с частотой 1000 Гц, т.е. считают

L_{G,x [фон]} = L_{I [1000 Гц, дБ]}  при G_x = G_{[1000 Гц]} ,

где G - громкость звука.

          Чтобы определить уровень громкости какого-либо звука, достаточно взять тон с частотой 1000 Гц и изменять его уровень до тех пор, пока его громкость не будет одинаковой с громкостью определяемого звука. Уровень интенсивности эталонного тона при этом численно будет равен уровню громкости определяемого звука.

          На рис. 3.6  приведены кривые равной громкости, полученные при сравнении тонов разных частот с эталонным. Они определены для всего диапазона слухового восприятия по частоте и уровню. Как видим, по мере повышения уровня громкости кривые равной громкости спрямляются. Например, для нулевого уровня громкости (на пороге слышимости) уровень интенсивности тона с частотой 100 Гц равен 38 (см. рис. 3.6), а тона с частотой 500 Гц - 7 дБ.      Для   получения уровня

Цифры на кривых означают уровень громкости в фонах

Рис. 3.6. Кривые равной громкости.

 

громкости, равного 80 фон (см. рис. 3.6, кривая 80), уровень интенсивности тех же тонов должен быть взят равным соответственно 83 и 80 дБ, т.е. оба тона будут практически одинаково громки, если они будут иметь одинаковые уровни интенсивности. Следовательно, на высоких уровнях громкости слух имеет частотную характеристику чувствительности, близкую к равномерной, поэтому физическая и субъективная характеристики будут близки друг к другу. Это обстоятельство привело к двум практическим рекомендациям.

          Допустим, что слушание радиопередачи идет на уровне 80 фон, при этом все частотные составляющие передачи при их одинаковой интенсивности звучат почти одинаково громко. Теперь уменьшим усиление (приемника) на 30 дБ, тем самым уровень интенсивности звучания снизится на 30 дБ. Вследствие этого частотные составляющие, находящиеся около частоты 1000 Гц, будут иметь уровень громкости 50 фон, а составляющие, находящиеся около частоты 100 Гц, снизятся по уровню громкости до значения,  равного  22 фон (см. крестики рис. 3.6); они будут звучать менее громко, чем средние частоты. Чтобы звучание низких частот осталось таким же, как и звучание средних, необходимо скорректировать частотную характеристику приемника путем подъема его чувствительности на низких частотах (на 17-20 дБ на частоте 100 Гц). В хороших радиоприемниках при уменьшении коэффициента усиления автоматически корректируется величина усиления на низких частотах (происходит увеличение коэффициента усиления).

          При измерении высоких уровней громкости шумов чувствительность измерителей (шумомеров) должна быть почти не зависящей от частоты, что соответствует субъективному восприятию звука по громкости. При измерении низких уровней громкости показания шумомера будут близкими к субъективным только, если при этом будет учтено то обстоятельство, что слух слабее воспринимает низкие частоты, чем средние при низких уровнях громкости. Поэтому в шумомерах при измерении низких уровней громкости вводится коррекция путем снижения коэффициента усиления на низких частотах. Так, если измеряют уровни громкости около 30 фон, то на частоте 100 Гц по сравнению с частотой 1000 Гц должно быть снижение на 58-30=28 дБ (см. рис. 3.6, кривая 30). Вследствие этого в шумомерах обычно есть три коррекции низких частот: А В С для уровней громкости 40, 70 и выше 85 фон соответственно. При этом измеренные уровни громкости более точно соответствует субъективной оценке громкости.

          Уровни громкости характеризуют субъективное восприятие звука, но их масштаб не соответствует масштабу субъективного ощущения громкости. Так, увеличение уровня громкости на 10 фон для широкого диапазона уровней соответствует субъективному увеличению громкости вдвое (человек довольно точно может определить удвоение громкости. Это свойство слуха было использовано для определения зависимости громкости от ее уровня). Для средних и высоких уровней L_G громкость G может быть приближенно определена из формулы (для L_G>40 фон)

G = 2 .

При этом громкость измеряют в сонах (1 сон соответствует громкости звука с уровнем громкости 40 фон).

          Для иллюстрации в табл. 3.1  приведены уровни громкости в фонах и громкости в сонах для ряда типовых звучаний.

Таблица 3.1

Источник (место) шума или звука	Громкость, сон	Уровень громкости, фон
Кабина самолета Котельный цех Фортиссимо оркестра Поезд метро Зал при массовых сценах Телеграфный зал Оратор на расстоянии 1 м Шумное собрание Обычный разговор на расстоянии 1 м Театральный зал Пианиссимо оркестра Библиотека	600-800 100-150 50-100 30-45 22-45 16-22 10-22 7-10 3-5 1-2 0,6-1 0,2-0,4	125-130 100-105 90-100 85-90 80-90 75-80 70-80 65-70 55-60 40-50 35-40 25-30

 

3.7 Эффект маскировки

 

 При шуме и помехах порог слышимости для слабого звука увеличивается. Это повышение порога слышимости называют маскировкой. Величина маскировки определяется по формуле

М = L_п.с.ш - L_п.с.т,

где L_п.с.ш, L_п.с.т - уровни порогов слышимости в тишине и в шумах.

          При увеличении порога слышимости соответственно изменяется и уровень ощущения Е. При интенсивности I  [см. (3.2)] для уровня ощущения звука имеем

E_ш = 10 = L - L_п.с.т - M = E_т - M,                                                      (3.6)

где I_п.с.ш  - интенсивность на пороге слышимости при наличии помех и шумов; E_т - уровень ощущения того же звука в тишине.

          Таким образом, при изменении уровня помех даже при неизменном уровне интенсивности звука уровень ощущения изменяется.

          Это явление объясняется тем, что при действии помехи, имеющей частотные составляющие в той же области, что и принимаемый звук, а по уровню интенсивности значительно превышающей уровень принимаемого звука, нервные окончания уже возбуждены и посылают импульсы в слуховой центр, соответствующие помехе. Из-за дискретности восприятия слабый принимаемый звук ничего не может добавить к этому восприятию, и поэтому мы его не слышим. Если бы помеха была убрана, то он смог бы возбудить нервные окончания соответственно своему уровню и частотным составляющим. Неясное ощущение принимаемого звука получается тогда, когда интенсивность слабого звука, добавляясь к интенсивности помехи в этой же критической полоске слуха, создает суммарную интенсивность, достаточную для скачка на следующую градацию уровня. Четкое же ощущение принимаемого звука получается только тогда, когда уровень принимаемого звука превышает уровень составляющих помехи, находящихся в той же критической полоске слуха, что и принимаемый звук.

а) тоном 1000 Гц для разных уровней интенсивности и маскирующего тона L_м; б) полоской шума около 1000 Гц для разных L_гр - уровней громкости маскирующего шума

Рис.3.7. Кривые порога слышимости при маскировке

 

          Низкочастотные тоны сильнее маскируют высокочастотные. Объясняется это тем, что волокна улитки, резонирующие на низких частотах, находятся далеко овального окна (см. рис. 3.1), поэтому лимфа, колеблющаяся в каналах улитки в той или иной степени, возбуждает все волокна, находящиеся ближе их к овальному окну, т.е. высокочастотные волокна. На высоких частотах резонирующие волокна находятся близко от овального окна и колебания лимфы замыкаются, не доходя до более удаленных низкочастотных волокон.

          Если помеха широкополосная, то даже при большом превышении общего ее уровня над уровнем принимаемого тона последний может быть услышан, поскольку уровень помех, находящихся в пределах критической полоски (в которой находится и принимаемый тон), может быть довольно малым. Для равномерной помехи а диапазоне частот 100-5000 Гц это превышение достигает 15 дБ.

          Для низких уровней частотный диапазон маскировки мал, для высоких  - он простирается на широкую область частот, лежащих выше частоты маскирующего тона. При этом можно отметить повышение маскировки на частотах, кратных частоте маскирующего тона (см. рис. 3.7а, на частотах 2000 Гц). Снижение маскировки (провалы) при небольшой разности частот маскирующего и маскируемого тонов (см. рис. 3.7а, на частотах 1000 и 2000 Гц) объясняются попаданием их в одну и ту же критическую полоску слуха появляются слышимые биения частот).

Шумовая маскировка имеет плавный спад к высоким частотам и крутой к низким (рис. 3.7б).

На рис.3.7а и б приведены кривые маскировки, иллюстрирующие сказанное.

         

3.8 Громкость сложных звуков

 

Два тона или узкополосных шума с небольшим уровнем громкости,  отстоящие по частоте не менее чем не две октавы, не маскируют друг друга. В этом случае суммарная громкость будет равна сумме громкостей обоих звуков. Если их громкости равны, то суммарная громкость удвоится, что соответствует увеличению уровня громкости на 10 фон. С другой стороны, если оба звука попадают в одну критическую полоску слуха, то складываются их интенсивности. Когда оба звука имеют высокий уровень интенсивности или когда их частоты находятся в диапазоне 500-4000 Гц уровень суммарной интенсивности (если они имеют одинаковый уровень) увеличится на 3 дБ, на столько же увеличится и уровень громкости (в фонах). Это два крайних случая суммирования громкостей. Если оба звука (тона или узкополосных шума) отстоят друг от друга по частоте на интервал менее двух октав или низкочастотный звук имеет высокий уровень, то появляется маскировка одного звука другим, вследствие чего суммарная громкость будет меньше суммы громкостей обоих звуков.

 

Рис. 3.8. Зависимость громкости и уровня громкости от уровня интенсивности для тона с частотой 1000 Гц Тон, равномерно воздействующего шума РВШ и белого шума БШ

 

И чем ближе звуки по частоте, тем значительнее это уменьшение. Вычислить громкость дискретных спектров очень сложно. Громкость шумов с широкополосным спектром можно вычислить по специальным номограммам.

На рис. 3.8 приведены зависимости громкости и уровня громкости от уровня интенсивности для тона с частотой 1000 Гц, для широкополосных шумов белого типа и с одинаковой интенсивностью в критических полосках (так называемый равномерно воздействующий шум - РВШ). Как видно из этих графиков, для тона, согласно определению, уровни интенсивности и уровни громкости численно равны друг другу, а для РВШ уровень громкости на 20 фон выше уровня интенсивности. Поэтому для измерения громкости шума необходимо применять специальные измерители, учитывающие маскировку звука. В обычных шумомерах это не предусмотрено, по этим измерениям определяют только уровень интенсивности с поправкой  на изменение кривой равной громкости (поэтому показания выражают в децибелах по шкале А (дБА), а не в фонах.

 

3.9 Временные характеристики слухового восприятия

 

По данным теории Флетчера и Гельмгольца  слух не реагирует на фазу колебаний синусоидальной звуковой волны, регистрируя только ее амплитуду и частоту. В случае сложных колебаний, состоящих их нескольких частотных составляющих, слух непосредственно не реагирует на фазовые сдвиги между ними, воспринимая только амплитуды и частоты колебаний каждой из составляющих, сели они не попадают в одну и ту же критическую полоску слуха. Это объясняется тем, что каждая из частотных составляющих звука воспринимается своим участком основной мембраны, а для восприятия фазы колебаний у нее нет аппарата. Сдвиг по фазе может быть замечен, когда он превращается в запаздывание во времени. Малые фазовые сдвиги в ряде случаев могут обнаруживаться слухом из-за его нелинейности.

Как всякая механическая и электрическая система, слуховой аппарат инерционен: при исчезновении звука слуховое ощущение исчезает не сразу, а постепенно уменьшаясь до нуля. Время, в течение которого ощущение по уровню громкости уменьшается на 8-10 фон, называется постоянной времени слуха. Эта постоянная зависит от ряда обстоятельств, а также от параметров воспринимаемого звука. В среднем она равна 150-200 мс. Экспериментально установлено, что если к слушателю приходят два коротких звуковых импульса, одинаковые по составу и уровню, но один из них запаздывает, то они будут восприняты слитно, когда запаздывание не превышает 50 мс. Правда, при запаздывании более 30 мс будет прослушиваться некоторое качественное изменение звучания. Эта слитность звучания получается из-за того, что ощущение от первого импульса за 50 мс после его окончания уменьшается примерно на 3 дБ, даже если бы от прекратился мгновенно. На самом деле это уменьшение получается еще меньшим, и именно поэтому такие звуки воспринимаются слитно. При больших интервалах запаздывания ощущение от первого импульса уже становится малым и не маскирует второй, поэтому оба импульса воспринимаются раздельно. Это явление называют эхом. Если встать перед стеной на расстоянии более 9 м и похлопать в ладоши, то услышим эхо в повторении хлопков, так как разность хода прямого и отраженного звуков будет более 18 м. При меньшем расстоянии этого не наблюдается, так как расстояние, равное 17 м, соответствует запаздыванию в 50 мс. Если уровень запаздывающего звука намного меньше уровня первого, то он не будет принят раздельно даже при запаздывании больше 50 мс, так как остаточное ощущение от первого звука может маскировать запаздывающий звук. На рис.3.9 приведена зависимость между временем запаздывания и необходимой разностью уровней для слитного восприятия обоих звуков (кривая 1). На кривой 2 дана разность уровней, при которой эхо мешает восприятию первого звука.

К одной из временных характеристик слуха относится явление после    маскировки:   слабые звуки,    идущие    сразу   после     громких,

 

оказываются полностью или частично замаскированными из-за последствия предыдущего звука.

Следует еще упомянуть об интегрирующей способности слуха при восприятии короткого импульса. В пределах 50 мс интегрируется интенсивность импульса, из-за этого более длительный импульс (в пределах до 50 мс), но с меньшей амплитудой воспринимается так же громко, как и короткий импульс с большой амплитудой, если произведение интенсивности импульсов на их длительность будет одинаковым.

К временным характеристикам слуха относится и время установления тональности звука, точнее, его высоты.  Необходимо два-три периода колебаний, чтобы слух мог определить высоту звука, т.е. приближенно частоту колебаний. На низких частотах это время составляет около 30 мс, на высоких - несколько меньше.

Поскольку слуховое ощущение исчезает не сразу, то при сравнении двух тонов, следующих сразу один за другим и имеющих небольшую разницу по частоте, прослушиваются биения этих тонов, что помогает обнаруживать очень малые разности частот и медленные изменения частоты в небольших пределах.

 

3.10 Нелинейные свойства слуха

 

Экспериментально установлено, что при воздействии звука с одной частотной составляющей (чистый тон) и уровнем интенсивности 100 дБ человек слышит вторую гармонику с уровнем интенсивности 88 дБ, третью - с уровнем 74 дБ и т.д. Наличие этих гармоник в слуховом ощущении легко проследить с помощью «ищущего» тона; к уху дополнительно подводится другой тон - «ищущий», частота которого плавно изменяется в диапазоне частоты исследуемого тона и выше. На каждой кратной ему частоте прослушиваются биения, как будто в подводимом звуке были эти составляющие. Эти гармонические составляющие называются субъективными. Именно поэтому наблюдается маскировка звука на частотах, кратных частоте маскирующего тона (см. рис.  3.7а).

При воздействии на слух двух чистых тонов с частотами, не попадающими в одну и ту же критическую полоску слуха, человек часто слышит тон разностной частоты с достаточно высоким уровнем громкости и тон суммарной частоты и других комбинационных частот f = mf₁  nf₂  с меньшими уровнями.

Эксперименты  показали, что если уровень каждого из чистых тонов составляет 60 дБ, то уровень громкости разностного тона не превышает 40 фон. При уровнях интенсивности составляющих, равных 80 дБ, уровень громкости разностного тона достигает 80 фон.

На рис. 3.10 показаны звуковые колебания, состоящие из одних и тех же составляющих с разными фазовыми сдвигами между ними. При воздействии на слух сложных звуков, имеющих составляющие с кратными частотами, получается ощущение такого же звука по частотному составу только с несколько измененным соотношением амплитуд составляющих, так как комбинационные частоты совпадают по частоте с исходными частотами звука.

При воздействии сложного звука, состоящего из тонов с некратными частотами, получается ощущение сильных искажений: прослушивается много разностных и других комбинационных тонов.

Интересно отметить, что при срезании частотного диапазона ниже 1000 Гц при высокой громкости передачи человек все же слышит низкие частоты вследствие нелинейности слуха. Поэтому при плохой передаче низких частот слушатели стремятся прослушивать передачи на высоких уровнях громкости, так как при этом создается впечатление более громкого звучания низких частот. И хотя при этом искажается звучание на высоких частотах, это не очень заметно при передаче современной поп-музыки. Причины нелинейности слуха можно, по-видимому, объяснить нелинейностью характеристик среднего уха и, что более существенно, вихревыми явлениями в улитке.

Из-за нелинейности слуха в некоторых случаях обнаруживается сдвиг фаз. Если сдвиги фаз между составляющими таковы, что амплитуды гармоник арифметически складываются и создают пикообразную форму кривой звуковой волны (рис. 3.10, кривая 1), то из-за нелинейности слуха появятся более значительные амплитуды субъективных гармоник, нежели при сдвигах фаз тех же составляющих, дающих, например, прямоугольную форму волны (рис. 3.10, кривая 2). Поэтому будет обнаруживаться разница в их звучании.

 

3.11 Бинауральный эффект

 

Бинауральным эффектом называют эффект двуухового слушания. По аналогии со зрительным ощущением для двух глаз его называют стереоакустическим эффектом. Бинауральный эффект заключается в том, что вследствие двуухового слушания человек может определить направление прихода звуковых волн с большой точностью; человек «ощущает» поперечные размеры источника звука, а также глубину его, т.е. создается акустическая перспектива.

Слуховая локализация источника звука зависит от расстояния между ушами. В обычных условиях человек определяет направление прихода звуковых волн в горизонтальной плоскости с точностью 3-4⁰. Если к ушам приставить раструбы с большим расстоянием между их отверстиями, то точность определения направления прихода звуковых волн может быть значительно повышена (такими звукоулавливателями пользовались до войны при определении местонахождения самолета). Это расстояние влияет как на разность времени прихода звуковых волн к ушам, так и на соотношение между амплитудами этих волн около ушных раковин.

Как указывалось, человек одним ухом слитно воспринимает два звука, если их время прихода отличается меньше чем на 50 мс. Но если звук поступает в одно ухо со сдвигом во времени по отношению к другому уху, то слух воспринимает эти звуки раздельно, так как электрические импульсы, возбуждаемые звуковыми колебаниями, поступают в слуховой центр по независимым путям. Именно поэтому суммарная громкость таких звуков сильно зависит от сдвига по времени. Этим объясняется бинауральный эффект на низких частотах. На высоких частотах он объясняется разностью уровней звуков, поступающих в каждое из ушей, вследствие того, что размеры головы на этих частотах становятся соизмеримыми с размерами длин звуковых волн.

Если человек слушает одну и ту же передачу от двух источников звука, которые находятся на разных расстояниях от слушателя, то при равных уровнях громкости на месте ближайшего источника ощущается кажущийся (виртуальный) источник звука. Можно создать ощущение раздельного звучания обоих источников, если уровень ближайшего сделать меньше, чем уровень удаленного. Это и определяет ощущение глубины источника звука. Все это положено в основу стереофонии.

Заметим, что человек плохо ощущает перемещение источника звука в вертикальной плоскости, проходящей перпендикулярно к линии ушей. Это объясняется тем, что в этом случае звуковые волны приходят в оба уха с одинаковыми фазой и амплитудой.       

 

4 АКУСТИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ

 

4.1 Основные понятия и определения

 

Различают первичные и вторичные акустические сигналы. К первичным относятся: сигналы, создаваемые музыкальными инструментами, пением, речью; шумовые сигналы, создаваемые для сопровождения различных музыкальных и речевых художественных передач (шум поезда, треск кузнечика и т.п.).

Ко вторичным акустическим сигналам относятся сигналы, воспроизводимые электроакустическими устройствами, т.е. первичные сигналы, прошедшие по электроакустическим трактам связи и вещания и соответственно видоизмененные по своим параметрам.

 

4.2 Динамический диапазон

 

В процессе любой передачи уровень акустического сигнала непрерывно изменяется, причем диапазон его изменения может быть довольно широким. На рис. 4.1а показана зависимость  уровня

а) уровнеграмма;    б) построение интегрального распределения по ней

Рис. 4.1.  Определение динамического диапазона

 

сигнала от времени, называемая уровнеграммой. Обычно ее дают для уровня, определенного при постоянной времени измерителя, равной или 150-200 мс (субъективная уровнеграмма), или 20-30 мс (объективная уровнеграмма).

Поскольку уровень сигнала изменяется, как правило, по случайному закону, то его интегральное распределение и среднее значение можно определить следующим образом. Возьмем какой-либо уровень, например L_k (см. рис. 4.1а). Можно написать, что время, в течение которого уровень сигнала будет не ниже L_k, определится суммой t = t₁+ t₂+ t₃+...+ t_n, где t_n  - временные интервалы действия сигнала. Следовательно, относительное время пребывания уровня сигнала над заданным равно w_k=t_k/T, где Т- длительность всего участка сигнала (она должна быть достаточно большой: не менее 15 с для речи и 1 мин  для музыки). Если таким образом определить величину w_k для разных уровней, то можно построить кривую интегрального распределения уровней для данного сигнала. На рис. 4.1б дано такое распределение для рассматриваемой уровнеграммы.

Установлено, что средние распределения, полученные для первичных музыкальных и речевых сигналов, по форме близки к нормальному распределению. Введены понятия квазимаксимального и квазиминимального уровней сигнала  L_макс и  L_мин. Их определяют по относительному времени пребывания уровня сигнала над соответствующим уровнем. Для квазимаксимального уровня это время условились брать равным двум процентам для музыкального сигнала и одному - для речевого, а для квазиминимального - соответственно 98 и 99% (см. рис. 4.1б). Выбор именно таких значений для  L_макс и L_мин основан на том, что более краткие пики и резкие минимумы сигнала практически не воспринимаются слухом (для речевого сигнала процент взят меньше, чем для музыкального, так как очень краткие звуки в речи все же несут некоторую информацию).

Разность между квазимаксимальным и квазиминимальным уровнями называют динамическим диапазоном

D = L_макс - L_мин.                                                                                          (4.1)

Динамический диапазон (в децибелах) для разных видов сигналов следующий:

речь диктора                                               25-35

телефонные разговоры                              35-45

небольшие ансамбли                                  45-55

симфонический оркестр                              65-75

 

Как видим, вещательный динамический диапазон настолько широк, что в большинстве случаев он не может быть передан через тракты вещательных каналов без предварительной обработки, т.е. без сжатия (компромиссии) динамического диапазона. Но и речевой информационный сигнал имеет широкий динамический диапазон по отношению к трактам связи и поэтому его приходится предварительно сжимать или же мириться с появлением значительных искажений его в самом тракте передачи.

         

4.3 Средний уровень

 

Средний уровень интенсивности акустического сигнала можно определять или по слуховому ощущению (субъективное среднее), или как средний статистический по интенсивности для длительных интервалов времени (среднее длительное), или как средний, измеряемый прибором, имеющим небольшую постоянную времени (объективное среднее). Для вторичных сигналов достаточно определять только средний уровень по ощущению, для первичных - необходимо знать все средние уровни, так как эти сигналы проходят к человеку через аппаратуру систем связи и вещания.

Эти средние уровни можно измерить, изменяя постоянную времени прибора. Учитывая, что мгновенная мощность сигнала изменяется от нуля до амплитудного значения, минимальная постоянная времени прибора для измерения объективного среднего уровня не должна быть меньше максимального полупериода колебаний (для f=30 Гц, Т_макс/2=17 мс). Так как постоянная времени слуха в среднем равна 150 мс, то для измерения среднего уровня по слуховому ощущению постоянная времени должна быть около 150 мс. Для получения длительного среднего (усредненного) уровня постоянную времени прибора берут равной 15 с для речи и 1 мин - для музыки.

Для каждого из средних значений уровня средняя интенсивность определяется по формуле

 I_ср =

 

где е - учитывает процесс регистрации сигнала с учетом «памяти» прибора вследствие наличия у него постоянной времени; Т - постоянная времени; f(t) - временная зависимость интенсивности сигнала.

          В соответствии с определением ( ) средний акустический уровень сигнала

 L_ср = 10lg (I_ср / I₀).

 

          Обычно акустический сигнал преобразуется в электрический. В этих случаях на выходе электроакустического устройства электрический уровень

 

N_э = 10lg (P_э / P₀),                                                                                    (4.2)

где P_э - мощность сигнала (электрическая); P₀ = 1 мВт - мощность, соответствующая нулевому уровню.

Разность между квазимаксимальным и усредненным уровнем (за длительный промежуток времени, например, 15 с для речи и 1 мин для музыки) называют пик-фактором:

 П = L_макс - L_ср  = N_э.макс  - N_э.ср.                                                                (4.3)

Пик-фактор показывает, насколько ниже надо взять усредненный уровень передачи по сравнению с максимально допускаемым уровнем в канале, чтобы не перегружать канал. Для музыкальных сигналов пик-фактор доходит до 20 дБ и более, для речевого сигнала - не прошедшим любую обработку, в том числе и в виде воздействия акустических свойств помещения.

 

4.4 Частотный диапазон и спектры

 

          Акустический сигнал от каждого из первичных источников звука, используемых в системах вещания и связи, как правило, имеет непрерывно изменяющиеся форму и состав спектра. Спектры могут быть высоко- и низкочастотными, дискретными и сплошными. У каждого источника звука, даже того же самого типа (например, скрипка в оркестре), спектры имеют индивидуальные особенности, что придает звучанию характерную окраску. Эту окраску называют тембром. Существуют понятия тембра скрипки, тромбона, органа и т.п., а также тембра голоса: звонкий, когда подчеркнуты высокочастотные составляющие; глухой, когда они подавлены. В первую очередь представляют интерес средний спектр для источников звука каждого типа, а для оценки искажений сигнала - спектр, усредненный за длительный интервал времени (15 с для информационных сигналов и 1 мин для художественных). Усредненный спектр может быть, как правило, сплошной и достаточно сглаженный по форме.

          Сплошные спектры характеризуются зависимостью спектральной плотности от частоты (эту зависимость называют энергетическим спектром). Спектральной плотностью называется интенсивность звука в полосе частот шириной, равной единице частоты. Для акустики эту полосу берут равной единице частоты. Для акустики эту полосу берут равной 1 Гц. Спектральная плотность     J = I / f, где I - интенсивность, измеренная в узкой полосе частот f с помощью узкополосных фильтров.

          Для удобства оценки введена логарифмическая мера плотности аналогично уровню интенсивности. Эту меру называют уровнем спектральной плотности или спектральным уровнем. Спектральный уровень

B = 10lg (J / I₀),

где I₀ = 10^-12 Вт/м² - интенсивность, соответствующая нулевому уровню, как и для оценки уровня интенсивности.

          Очень часто для характеристики спектра вместо спектральной плотности используют интенсивности и уровни интенсивности, измеренные в октавной, полуоктавной или третьоктавной полосе частот. Нетрудно установить связь между спектральным уровнем и уровнем в октавной (полуоктавной или третьоктавной) полосе. Спектральный уровень

B = 10lg                                                                                (4.4)

а уровень в октавной полосе

L_окт = 10lg ,                                                                                 (4.5)

где f_окт - ширина соответствующей октавной полосы.

          Вычитая второе из первого, находим

L_окт - B = 10lg f_окт.                                                                                  (4.6)

          При известном спектре сигнала можно определить его суммарную интенсивность. Так, если спектр задан в уровнях интенсивности  для  третьоктавных  полос, то достаточно перевести эти уровни (в каждой из полос) в интенсивности I_окт = I₀10   и затем просуммировать все интенсивности. Сумма всех I_окт дает суммарную интенсивность I_сум для всего спектра. Суммарный уровень

L_сум = 10lg (I_сум / I₀).                                                                                  (4.7)

Если спектр задан в спектральных уровнях, то, исходя из их определения, для всего спектра точный суммарный уровень

 

L_сум = 10lg                                                                                  (4.8) 

где f_B и f_H  - верхняя и нижняя границы частотного диапазона. Приближенно суммарный уровень можно найти делением частотного диапазона на n полосок шириною f_k , в пределах которых спектральный уровень B_k  примерно постоянен. Суммарный уровень

L_сум  10lg

Частотный диапазон акустического сигнала определяют из частотной зависимости спектральных уровней. Это определение можно сделать или по спаду спектральных уровней или приближенно, на слух. Субъективными границами считают заметность ограничения диапазона для 75% слушателей. Приведем частотные диапазоны для ряда первичных источников акустического сигнала, Гц:

 

речь                                                  70-7000

скрипка                                             250-15000

треугольник                                      1000-16000

бас-труба                                          50-6000

орган                                                 20-15000

симфонический оркестр                  30-15000                                                  

 

Если спектры имеют плавный спад в ту или иную сторону, то их еще оценивают тенденцией, т.е. средним наклоном спектральных уровней в сторону низких или высоких частот. Например, речевой спектр имеет тенденцию, равную - 6 дБ/окт (спад в сторону высоких частот).

          К акустическим сигналам относят в ряде случаев и акустические шумы. На рис. 4.2 приведены спектры трех типов шумов: белого, розового и речевого. Термин «белые» относится к шумам,  имеющим   одинаковую   спектральную   плотность  во всем частотном диапазоне, «розовые» - к шумам с тенденцией спада плотности на 3 дБ/окт в сторону высоких частот. Речевые шумы - шумы, создаваемые одновременным разговором нескольких человек.

 

4.5 Временные характеристики акустического сигнала

 

          К временным характеристикам сигнала относятся уровнеграмма и время корреляции. Уровнеграмма сигнала дает возможность определить резкие переходы интенсивности и, следовательно, с ее помощью можно предъявить требование к постоянным времени трактов передачи сигнала. Такие временные характеристики сигнала, как время корреляции, используют редко, хотя опыты показывают, что этот параметр играет значительную роль при определении качества звучания..

 

4.6 Вторичный акустический сигнал

 

          В идеальном случае вторичный сигнал должен точно воспроизводить первичный, но это не всегда требуется, так как слух человека может и не заметить их несоответствие. К тому же на практике точное соответствие их часто невозможно или очень трудно осуществить. При художественном вещании, телевидении и звукозаписи надо стремиться к этому соответствию в пределах, при которых слуховое ощущение, создающееся у слушателя, было бы близко к тому ощущению,  которое он получает, находясь в месте исполнения данной программы при условии достаточно хороших акустических условий в этом месте. Для информационных программ вещания и телефонной связи этого соответствия добиваются в первую очередь для получения полной понятности речи, а затем для достаточно высокого качества звучания. Только в этом случае необходимо стремиться к более точному соответствию вторичного сигнала первичному. В обоих случаях существенную роль играют экономические соображения.

          Нарушение точности передачи, замечаемое слухом, бывает самого разнообразного вида. Рассмотрим основные их них: потерю акустической перспективы, смещение уровней, ограничение динамического и частотного диапазона сигнала, помехи, искажения.

          Потеря акустической перспективы. При передаче звукового сигнала по одноканальной системе получается ощущение слушания одним ухом, даже при наличии нескольких микрофонов в помещении, откуда ведется передача, и при разнесенных вторичных источниках звука. Источник звука для слуха будет всегда казаться находящимся в некотором среднем положении по отношению к фактическим вторичным источникам, поскольку временной сдвиг и разность уровней для обоих ушей слушателя не зависят от местонахождения первичного источника звука. Этот дефект может быть до некоторой степени исправлен с помощью стереофонической системы передачи, основанной на многоканальной системе передачи сигнала (подробнее об этом см. в курсе «Радиовещание».

          Смещение уровней. Поскольку по тракту передачи сигналов не передается информация об абсолютных уровнях звучания первичного сигнала, то слушатель (а при массовом слушании - оператор на приемном конце) по своему усмотрению устанавливает уровень вторичного сигнала. При этом не всегда можно восстановить нужный уровень первичного сигнала из-за недостаточной мощности аппаратуры на приемном конце, а также из-за условий слушания (например, в квартирах с плохой звукоизоляцией).

          Смещение уровней приводит к изменению соотношения между громкостями низкочастотных и среднечастотных составляющих первичного и вторичного сигналов, так как смещение среднего уровня вторичного сигнала вверх по отношению к среднему уровню первичного приводит к субъективному повышению громкости низкочастотных составляющих, смещение вниз - к их ослаблению.

          Ограничение динамического диапазона. Поскольку динамический диапазон канала ограничен снизу шумами, а сверху - перегрузкой и нелинейностью отдельных звеньев канала передачи, то во избежание искажений его сжимают в начале тракта (во всяком случае до звена, в котором скорее всего может ограничиться или исказиться сигнал). Этот дефект может быть частично исправлен путем расширения динамического диапазона сигнала на конце тракта, что не всегда возможно, так как на приемном конце может быть неизвестно, насколько был сжат этот диапазон. Кроме того, попытка расширить диапазон (применением экспандеров) усложняет аппаратуру.

          Ограничение частотного диапазона. Поскольку тракт передачи акустических сигналов не пропускает весь их частотный диапазон, говорят об ограничении частотного диапазона.

          Помехи.  При передаче на сигнал накладываются различного рода помехи, в том числе шумы электрического и акустического происхождения. Последние имеются как в месте нахождения первичного источника звука, так и в месте нахождения слушателя.

          Искажения. По сути дела все перечисленные несоответствия первичного и вторичного сигналов являются искажениями в широком смысле этого понятия. Но обычно под этим термином понимают более узкий тип искажений. К ним относятся линейные, нелинейные, параметрические и переходные (временные) искажения.

         

4.7 Шумы и помехи

 

          Влияние шумов и помех сводится к маскировке вторичного акустического сигнала независимо от их происхождения (акустического или электрического). Шумы сдвигают порог слышимости, который не зависит от времени, если шумы относятся к «гладким». т.е. имеют пикфактор, не превышающий 6 дБ. К этим шумам относятся различные флуктуационные шумы, например шумы дробового эффекта, речевые шумы от нескольких голосов, звучащих одновременно. Импульсные шумы создают порог слышимости, изменяющийся во времени в зависимости от пик-фактора шума и длительности импульсов. Из-за наличия постоянной времени у слуха ощущение кратковременных импульсов получается сглаженным: происходит выравнивание временной зависимости порога слышимости. Импульсные шумы не только маскируют полезный сигнал, но и искажают его, создавая комбинационные частоты шума и сигнала. Получается нечто похожее на взаимную модуляцию сигнала и шума.

          Спектр шумов электрического происхождения, как правило, близкий к равномерному, а акустического происхождения - ближе к речевому. Поэтому частотная зависимость порога слышимости для первых имеет тенденцию роста к высоким частотам, так как ширина критических полосок растет с увеличением частоты. Для речевых шумов порог слышимости почти не зависит от частоты.

          Индустриальные, атмосферные и станционные помехи, кроме тональных, могут быть отнесены и к импульсным, и к гладким, с равномерным или низкочастотным спектром. Кроме этих помех, приходится иногда считаться с помехами от самомаскировки речи, т.е. с маскировкой слабых звуков, следующих за громкими.

          Борьба с акустическими шумами ведется путем устранения 9или ослабления) действия источников шума, а также путем повышения звукоизоляции помещений. Учет их действия на прием речевого сигнала делается при расчете и измерении разборчивости речи.

 

4.8 Линейные искажения

 

          В общем случае коэффициент передачи тракта

K =                                                                                           (4.9)

где p₁ и p₂ - звуковые давления в начале и конце тракта;  |К| - модуль коэффициента передачи; j - фазовый сдвиг в тракте.

          Коэффициент передачи, как правило, зависит от частоты. Так как слух не реагирует непосредственно на сдвиг фаз между составляющими сигнала, в дальнейшем его не будем рассматривать и под термином «коэффициент передачи» будем подразумевать его модуль.

          Частотная зависимость коэффициента передачи, называемая частотной характеристикой тракта передачи, приводит к изменению соотношений между амплитудами частотных составляющих, входящих в первичный сигнал. Субъективно эти искажения ощущаются как изменение тембра первичного сигнала. Например, если подавлены низкочастотные составляющие, то звучание будет звенящее. При подавлении высокочастотных составляющих звук глухой. При резком подчеркивании низкочастотных составляющих звучание получается бубнящим, а при резком подчеркивании высокочастотных - свистящим. Эти искажения (называемые частотными) оценивают по величине неравномерности частотной характеристики

M_и = K _макс / K _мин,                                                                                   (4.10)

где K_макс и K_мин - максимальный и минимальный коэффициенты передачи в заданном диапазоне частот.

          Неравномерность часто измеряют в логарифмических единицах, в таком случае

L = 20lg M_и = L _макс - L_мин,                                                                    (4.11)

где L _макс и L_мин - максимальный и минимальный уровни вторичного сигнала при постоянстве уровня первичного. На рис. 4.3 показана одна из характеристик тракта передачи сигнала. При определении неравномерности частотной характеристики следует исключать из рассмотрения пики и провалы в частотной характеристике, если они уже 1/8 октавы.

Рис. 4.3 Определение неравномерности частотной характеристики и частотного диапазона

 

Такое условие введено из-за наличия широких критических полосок слуха, а также из-за того, что при быстром изменении первичного сигнала его спектр расплывается и эти пики и провалы сглаживаются.

          Как правило, частотная характеристика наиболее неравномерна в областях самых низких и самых высоких частот диапазона, т.е. вблизи его границ, поэтому для широкополосных трактов передачи сигнала, например вещательных, неравномерность частотной характеристики часто задают в двух диапазонах: номинальном и в основном (200-5000 Гц).

          В тех случаях, когда аппаратура не может быть изготовлена с заданной неравномерностью, в требуемом частотном диапазоне оговаривают частотный диапазон, в котором неравномерность не превышает заданную норму.

          Частотно-амплитудные искажения обычно устраняют путем частотной коррекции в звеньях тракта, ближайших к искажающим.

          Нормы на допустимые частотные искажения были определены экспериментально. Установлено, что на низких частотах искажения более заметны, чем на высоких.

 

4.9 Нелинейные искажения

 

          Различают два вида нелинейности: нелинейность степенного типа и нелинейность из-за амплитудного ограничения. Первая характеризуется зависимостью y = A₁x+A₂x²+..., где А₁ и А₂ - коэффициенты пропорциональности; x - мгновенные значения первичного сигнала;  y - мгновенное значение вторичного.

          Амплитудное ограничение бывает сверху и снизу (центральное). При ограничении сверху (рис. 4.4а) характеристика тракта  до  некоторого  значения  x₀ может  быть линейной. Сигналы

а) ограничение сверху;      б) снизу (центральное)

Рис. 4.4. Амплитудное ограничение для сигналов с большой и небольшой амплитудами

 

c амплитудами больше x₀ ограничиваются. При центральном ограничении (рис. 4.4б) слабые сигналы (меньше x₀ ) срезаются, а остальные искажаются.

          Исследование показало, что искажения, вызванные амплитудным ограничением сверху, мешают восприятию сигналов меньше, а при центральном ограничении - больше, чем искажения степенного типа. Нелинейные искажения степенного типа в виде гармонических составляющих вызывают ощущения дребезжания (а на высоких частотах - хрипы), а нелинейные искажения в виде разностных тонов вызывают ощущение модуляции громкости звука (обычно это заметно на низких частотах).

          Результаты исследований показали, что слушатель меньше замечает нессиметричные искажения, когда наибольшей по амплитуде оказывается вторая гармоника, так как она находится в октаве с основной частотой. Симметричные искажения более заметны, так как третья гармоника получается очень большой и оказывается в квинте с основной. При сужении полосы частот заметность искажения уменьшается. Это объясняется тем, что ряд гармоник и комбинационных составляющих оказывается за пределами передаваемого диапазона частот.

          Как правило, нелинейные искажения наиболее велики на низких частотах, поэтому нормы на них даются для нескольких диапазонов частот. С увеличением уровня сигнала нелинейные искажения растут, поэтому нормы на них дают раздельно для средних и пиковых уровней.

Нелинейные искажения чаще всего оцениваются с помощью коэффициента нелинейных искажений (КНИ)

K_н.и = ,                                                                              (4.12)

где x_mk - амплитуды гармоник сигнала, начиная со второй; x_m1 - амплитуда основной составляющей.

          Кроме такой оценки, существуют методы разностных колебаний взаимной модуляции и другие, которые подробно рассматриваются в курсе «Электрические измерения».

 

4.10 Переходные искажения

 

          При сжатии динамического диапазона применяют различные автоматические регуляторы уровня. Эти регуляторы имеют большую постоянную времени восстановления и вызывают искажения, называемые переходными. Переходные искажения создаются собственными колебаниями, происходящими в различных звеньях тракта. По своему звучанию они сходны с нелинейными искажениями, так как в сигнале появляются комбинационные частоты. Подробно они будут рассмотрены в курсе «Радиовещание».

 

4.11 Допустимые величины искажений

 

          Допустимые величины искажений определяются, во-первых, заметностью и, во-вторых, возможностью реализации трактов передачи сигналов, которая обусловливается рядом факторов: техническими, экономическими, эксплуатационными. С точки зрения реализуемости аппаратуры и из экономических соображений при определении величин тех или иных искажений приходится идти на компромиссы: уменьшение одних искажений часто вызывает увеличение других. На основе ряда исследований были определены наиболее оптимальные комбинации величин искажений.

          Заметность искажений - субъективное понятие, так как порог заметности у разных людей разный. Для профессионалов порог заметности искажений всегда меньший, чем для большинства слушателей. Принято считать порогом заметности такие искажения, которые замечают 75% слушателей.

          В табл. 4.1 приведены значения для основных параметров качества, определенные на основе заметности искажений для трактов     звукового       вещания.       Неравномерность    частотной

Таблица 4.1

	Параметры трактов для вещательных передач*
Класс	Частотный	Неравномерность, дБ		Коэффициент гармоник, %				Защита от помех, дБ
качества	диапазон,     Гц	в основном диапазоне	на краях диапазона	до 100 Гц		100-200 Гц	выше 200 Гц	интегральных	внятных
Высший	30-15000	2	6	5		1,0	1,0	55	74
Первый	50-10000	2	6	6		2,5	2,5	52	70
Второй	100-6300	6	16	-	8,0		3,6	46	60
Третий	200-4000	6	16	-	-		7,3	-	-

* От входа микрофона до выхода громкоговорителя.

 

В соответствии со всеми этими условиями были определены величины допустимых искажений для нескольких уровней (градаций, классов) качества трактов. Высший класс (градация - отлично) - искажения незаметны; первый класс (градация  - хорошо) - искажения заметны только для профессионалов и в отсутствии помех и шумов; второй (удовлетворительно) - искажения заметны для всех слушателей, но они еще не портят впечатления при художественных передачах или терпимы при информационных; третий класс - не стандартизируются (предельно допустимо) - искажения находятся на предельно допустимом уровне.

характеристики дана для номинального и основного частотных диапазонов. Коэффициенты гармоник даны для разных частотных диапазонов при работе на номинальном уровне. В табл. 4.2 приведены аналогичные данные для речевых трактов.

Таблица 4.2

Градации	Параметры трактов для речевой связи
качества	Частотный диапазон, Гц	Неравномерность1), дБ	Коэффициент гармоник, %
Отлично	50-10000	+3	3
Хорошо	100-6000	+3	4
Удовлетворительно	300-3400	+3	6
Предельно допустимо	400-2500	+3	-

¹⁾ По отношению к тенденции 6 дБ/окт.

 

Следует указать на то, что в обоих случаях искажения в основном вносит акустическая часть тракта (первичное помещение, приемник звука, вторичный источник звука, вторичное помещение), на долю остальной части трактов вещания и связи приходится значительно меньшая их часть.

 

5 ЭЛЕКТРОАКУТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

 

5.1 Метод электромеханических аналогий

 

          Электроакустическая аппаратура и акустические устройства состоят из электрических, механических и акустических элементов, объединенных в системы.  К электрическим элементам относятся индуктивности, емкости, активные сопротивления, трансформаторы, к механическим и акустическим - массы, упругости, сопротивления потерь (например, на трение) и своего рода мезаноакустические трансформаторы. Эти элементы комбинируют в электрические, механические и акустические системы в виде различного рода контуров и цепочек, а также в виде электромеханических и электроакустических преобразователей. Под последними подразумевают устройства преобразования колебаний одного вида энергии в другой, например акустических колебаний в электрические или электрических в акустические.

          Системы элементов бывают с сосредоточенными и с распределенными параметрами. Акустические и механические системы могут рассматриваться как с сосредоточенными, так и с распределенными параметрами в зависимости от диапазона частот. Например, на низких частотах они чаще всего с сосредоточеными, а на высоких - с распределенными параметрами.

Механические системы конструтивно представляют собой диафрагмы (пластины различной формы), стержни и мембраны. Обычно рассматривают два райних случая: идеальная диафрагма и идеальная мембрана. Идеальная диафрагма может колебаться только как целое, т.е. как поршень. Это система с сосредоточенными постоянными. Идеальная мембрана колеблется как абсолютно гибкая пластинка, упругость которой придается только ее натяжением (по периметру). Поэтому мембрана - система с распределенными параметрами.

Акустические системы конструктивно представляют собой различного рода резонаторы, трубы открытые и закрытые с одного из концов, различные объемы, акустические фильтры и т.п. Это системы, как правило, с распределенными параметрами и только на низких частотах их приближенно можно рассматривать как системы с сосредоточеными параметрами.

Электроакустическая аппаратура обычно имеет в своем составе механическую колебательную систему как посредник между электрической и акустичекой системами. Для решения практических задач, встречающихся при рассмотрении механических и акустических систем, целесообразно использовать удобный и эффективный математический аппарат в виде теории четырехполюсников. Для этой цели были разработаны методы электромеханических аналогий, позволяющие применять этот аппарат непосредственно к механическим системам. Один из таких методов основан на следующих аналогиях.

Аналогия по переменным характеристикам. Известно, что электрическое напряжение U является причиной движения электрических зарядов. Очевидно, сила F - его аналог, так как она служит причиной движения тел и других механических элементов. Электрический ток в проводнике представляет собой скорость движения зарядов i = dq/dt. Аналогом его является скорость движения тел и элементов u = dx/dt.

Смещение тела от своего начального положения становится аналогом электрического заряда (сравните с током смещения в полупроводниках).

Аналогия по параметрам. Падение напряжения на индуктивном сопртивлении

U = L .

Сопоставляя эту формулу со вторым законом Ньютона

F_m = m

и учитывая аналогии по переменным, получаем, что индуктивность служит аналогом массы. Недаром явление самоиндукции называют электрической инерцией. Кинетическая энергия T = mu²/2  и энергия магнитного поля W_M = Li²/2 также аналогичны между собой не только по форме, но и по свойствам.

          Падение напряжение на емкостном сопротивлении U_c = q/C. Сравнивая это выражение с законом Гука, F_k = kx, видим, что электрическая емкость С - аналог обратной величины упругости механической системы k. Если вместо упругости системы взять величину, обратную ей, - гибкость C_M = 1/k, то тогда емкость и гибкость будут аналогами. Потенциальная энергия при продольной деформации тела P = F²/2k = C_MF²/2 и энергия электрического поля конденсатора W = CU²/2 аналогичны между собой по форме и по свойствам.

          В таблице 5.1 приведены все эти аналоги и там же дано графическое обозначение механических элементов.

Таблица 5.1

Электрические	Механические
Напряжение U Ток i Количество электричества q   Индуктивность L   Емкость C   Активное сопротивление R     Полное электрическое сопро-тивление  z	Сила F Скорость u Смещение (отклонение) x Полное механическое сопротив-ление  zM

 

Падение напряжения на активном сопротивлении U_R = Ri и сила трения F_r = r_Mu также аналогичны между собой. Поэтому коэффициент трения и активное электрическое сопротивление - по существу является аналогом механического сопротивления, если представлять последнее в виде отношения силы к скорости колебаний: z_M = F/u. Это соотношение часто называют законом Ома в механике.     

Особенности рассматриваемых аналогий. В табл. 5.2 приведены правила и схемы электрических и механических соединений для рассматриваемого метода аналогий. Если взять две пружины с гибкостями C_M1 и C_M2 и соединить их последовательно (см. табл. 5.2, рис.а), то общая гибкость будет равна их сумме C_M=C_M1+C_M2. Следовательно, аналогом такого соединения будет параллельное соединение конденсаторов.

          Если те же пружины соединить параллельно (см. табл. 5.2, рис. б), то общая упругость увеличится и будет равна сумме упругостей

k = k₁+k₂ или 1/C_M = 1/C_M1 + 1/C_M2.

Аналогом такого соединения будет последовательное соединение конденсаторов (см. табл. 5.2, рис. б). Аналогичная картина получается и для активных сопротивлений (см. табл. 5.2, рис. в и г).

          При соединении двух масс общая масса равна их сумме m=m₁+m_2, что соответствует последовательному соединению индуктивностей. Заметим, что подходящего аналога для параллельного соединения индуктивностей пока не найдено.       Таким образом получаем, что аналогом параллельного соединения механических сопротивлений является последовательное соединение электрических, а аналогом последовательного соединения механических сопротивлений является параллельное соединение электрических. Применим эти аналогии к различным системам.

 

5.2 Механические системы

 

          В табл. 5.3 приведены электрические аналоги механических систем. Если взять механическую колебательную систему с параллельным соединением механических элементов (т.е. узел) и приложить к их узлу силу F (см. табл. 5.3, pис. a), тогда уравнение вынужденных колебаний будет иметь вид

m

Напишем аналогичное ему выражение для вынужденных колебаний электрической системы

Но это уравнение соответствует контуру с последовательным соединением электрических элементов (см. табл. 5.3, pис. a). Таким образом, узел механических сопротивлений и контур из последовательно соединенных электрических сопротивлений аналогичны друг другу.

                                                                                           Таблица 5.2 .2

 

 

Таблица 5.3

 

 

 

 

 

 

Соответственно этому на частоте w  сопротивления:

электрическое                                                          ü        

z = R+iwL+ ,                                                     

где Z =   tg j =                           

                                                                                 ý                           (5.1)

 механическое                                                            

z_M = r_M + iwm +                                             

где Z_M =   tg y =                     

                                                                                 þ

имеют аналогичную форму.

На рис. 5.1 показана зависимость скорости колебаний от частоты при постоянстве амплитуды приложенной силы для рассматриваемой механической системы. Для такой системы резонансная частота

w₀ = 1/                                                                   (5.2)

и добротность

D =         

где Df - ширина полосы пропускания контура на уровне 0,71 (см. рис. 5.1).

          Точно также можно показать, что аналогом контура из параллельно  соединенных электрических элементов будет служить

 Рис. 5.1. Зависимость скорости колебаний от частоты для механической        колебательной системы

 

соединение механических элементов цепочкой, т.е. последовательное соединение (см.табл. 5.3, рис. б). Аналогом для рычага первого рода служит трансформатор, причем отношение плеч рычага l₁/l₂ соответствует коэффициенту трансформации n (см. табл. 5.3, рис. в), а для рычага второго рода - автотрансформатор. Аналогом электрического трансфоматора может также служить механический трансформатор - последовательное соединение двух трубок небольшой длины и диаметра (см. табл. 5.3, рис. г). По закону Паскаля давление в обеих трубках одинаково, поэтому отношение сил пропорционально отношению поперечных сечений трубок

F₁/F₂ = pS₁/pS₂ = S₁/S₂.

          Пренебрегая сжатием среды, получим, что u₂S₂ = u₁S₁  или u₂/u₁=S₁/S₂, т.е. отношение скоростей колебаний обратно пропорционально отношению сечений, следовательно, коэффициент трансформации равен отношению сечений трубок:

n = F₂/F₁ = u₁/u₂=S₂/S₁.                                                                          (5.3)

Такой трансформатор применяют в электроакустической аппаратуре для согласования механических сопротивлений.

 

5.3 Акустические системы

 

          Для анализа акустических систем разработаны метод и система электроакустических аналогий. По этому методу давление считают аналогом напряжение, скорость колебаний u - аналогом плотности тока, а объемную скорость колебаний U = uS (где - поперечное сечение звукопровода) - аналогом тока.

          Этим методом аналогий удобно пользоваться при рассмотрении устройтсв, состоящих только из акустических систем типа звукопроводов, например акустических фильтров. При анализе преобразователей, состоящих из комбинаций электрических и механических систем, удобнее пользоваться вышерассмотренным методом элетромеханических аналогий.

          Рассмотрим резонатор Гельмгольца (см. табл. 5.4, рис. a) как механическую колебательную систему, у которой масса m  равна массе воздуха в горле резонатора, активное сопротивление r_M равно сумме сопротивления вязкости воздуха и сопротивления излучения в окружающую среду, а гибкость C_M - гибкости воздуха в полости резонатора, т.е. m=rlS; C_M  = V/gp_acS², где l - длина горла резонатора; S - поперечное сечение горла; V - объем полости резонатора.

          Тогда собственная частота такого резонатора равна

 

w₀ = 1/                                                           (5.4)

 

Если резонатор будет иметь второе отверстие, например в дне полости (двойной резонатор Гельмгольца), то, в отличие от схемы обычного резонатора (см. табл. 5.4, рис.a), механическую цепочку (состоящую из отверстия длиной l₂ и площадью S) находящуюся за объемом V, можно представить сопротивление составленным из индуктивности m₂ и сопротивления r_M2, подключенных параллельно емкости C_M (см. табл. 5.4б).

          Известно, что волновое сопротивление длинной электрической линии Z_{B =}  где L₁ и C₁  - индуктивность и емкость на единицу длины линии. Заменяя их согласно аналогиям на массу m₁ и гибкость C₁, приходящихся на единицу трубы, получим  Z_M.B =  где m₁ = rlS/l = rS; C_1M = V/gp_a.cS²l = 1/gp_a.cS;

V - объем трубы; l - ее длина; S - поперечное сечение трубы. Откуда с учетом gp_a.c = c²r механическое волновое сопротивление длинной трубы Z _M.B =

          Кстати, если пользоваться электроакустическими аналогиями, то волновое акустическое сопротивление трубы x_B = p/U_a = p/uS = rc/S. Это сопротивление получается в S² раз меньше механического волнового сопротивления, определенного по электромеханическим аналогиям.

               В отсутствии отражений от конца трубы, что получается при согласовании нагрузки трубы и волнового сопротивления (Z_H=Z_M.B), входное механическое сопротивление трубы будет определяться плоской бегущей волной, т.е.

 

Z_ВХ =                                                                                     (5.5)

          При наличии отражений от концов труба будет резонировать на определенных частотах, которые определяются ее длиной и условиями отражения от ее концов, как и в случае электрических линий.

          Широкое применение имеют различного рода акустические фильтры. В табл.5.4 (рис. г, д) приведены аналоги акустического фильтра НЧ и полосового фильтра.

 

5.4 Электромеханические преобразователи

 

          Основные положения теории четырехполюсников. На рис. 5.2 показан линейный четырехполюсник, представляющий пассивный преобразователь колебаний.

Рис. 5.2. Эквивалент четырехполюсника 

 

Со стороны входа четырехполюсник представляет собой некоторое сопротивление Z_ВХ = U₁/i₁, состоящее из двух последовательно соединенных частей: постоянной, не зависящей от сопротивления нагрузки во вторичной цепи, Z_c и переменной Z_ВН,  зависящей от тока во вторичной цепи (см. рис. 5.2). Исходя из этого, можно написать уравнение

U₁ = z₁₁i₁ + z₁₂i₂  или z_вн = z_вхi₁ =  z_сi₁ + z_внi₁                                             (5.6)

где U₁ - напряжение на входе четырехполюсника;  i₁, i₂ - токи на входе и выходе четырехполюсника; z₁₁=z_c - постоянная часть входного сопротивления, называемая собственным сопротивлением четырехполюсника; z₁₂=K₁ - коэффициент пропорциональности между током во вторичной цепи и напряжением на переменной части входного сопротивления, называемой вносимым сопротивлением z_вн.

Собственное    входное  сопротивление  определяют  при   работе

четырехполюсника на холостом ходу:

z_c =  

 а вносимое сопротивление z_вн= U₁/i₁ - z_c = z_вх - z_c. Со стороны выхода четырехполюсник представляет собой генератор с ЭДС e, определяемой током в первичной цепи, и внутренним сопротивлением z₂₂ (см. рис. 5.2). Исходя из этого, можно написать уравнение

 

U₂ = z₂₁i₁ + z₂₂i₂  или U₂ = e₂ - z_ii₂,                                                            (5.7)

где U₂  - напряжение на выходе четырехполюсника; z₂₂ = z_i - внутреннее сопротивление генератора; z₂₁=K₂  - коэффициент пропорциональности между ЭДС эквивалентного генератора  и током в первичной цепи, называемой коэффициентом связи (он имеет размерность сопротивления). Внутреннее сопротивление генератора определяют при работе четырехполюсника в режиме короткого замыкания:

,

а коэффициент связи - в режиме холостого хода:

K₂ = z₂₁ =

Из (5.6) и (5.7) получаем вносимое сопротивление

z_вн =                                                         (5.8)

 

где z_H - сопротивление нагрузки во вторичной цепи.

Вносимое сопротивление для любого из пассивных преобразователей определяет количество энергии, передаваемой во вторичную цепь. Коэффициент связи - реакция вторичной цепи, определяющая ЭДС, создаваемую во вторичной цепи. В обратимых четырехполюсниках эта реакция одинакова в обе стороны.

          Отсюда следует равенство абсолютных значений коэффициентов сопротивлений связи для обоих направлений:

 

 или                                   (5.9)

 

          Электромеханические преобразователи. Электромеханические преобразователи являются четырехполюсниками, у которых одна сторона механическая, а другая - противоположная - электрическая.

 

а) механоэлектрического (генератор);

б) электромеханического (двигатель)

Рис. 5.3. Эквиваленты четырехполюсников

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 5.4

Рассмотрим электрогенератор (механоэлектрическую систему).

          Соответствующие модели приведены на рис. 5.3. Для генератора имеем вносимое механическое сопротивление

 

z_м.вн =                                                                              (5.8a)

где z_э - внутреннее сопротивление генератора; z_э.н - сопротивление его нагрузки и коэффициент электромеханической связи (обозначение символов см. на рис. 5.3а)

 

                                                                                      (5.9a)

Для двигателя вносимое электрическое сопротивление

 

z_э.вн =                                                                            (5.8б)

и коэффициент электромеханической связи (рис. 5.3б)

 

K_СВ =                                                                                      (5.9б)

Применим эти формулы к магнитоэлектрическим системам, называемым  в акустике электродинамическими. Из электротехники известны следующие выражения: для наводимой ЭДС e = Blu и для силы, действующей на проводник с током,   = Blu, где B  - индукция магнитного поля; l - длина проводника, откуда коэффициент электромеханической связи (5.9a) и (5.9б) для этих систем

 

K_СВ = Bl.                                                                                                 (5.10)

На холостом ходу вносимое сопротивление Z_вн = 0  (5.8a) и (5.8б), так как сопротивление нагрузки бесконечно большое.

          Интересно отметить, что заторможенный двигатель (скорость равна нулю) аналогичен работе четырехполюсника на холостом ходу (ток во вторичной цепи равен нулю). А холостая работа двигателя аналогична работе четырехполюсника на маленькое сопротивление нагрузки (скорость наибольшая, т.е. когда выходной ток максимальный).

          Кроме электродинамических систем преобразования, в эоектроакустике применяются электростатические, электромагнитные, угольные и другие преобразователи.

 

6. МИКРОФОНЫ

         

6.1. Технические характеристики микрофонов

 

          Микрофон, преобразующий звучание различных источников программы в электрический сигнал, является первым элементом электрической части вещательного канала. Микрофон должен точно воспроизвести полученный звуковой сигнал, т.е. удовлетворять высоким техническим требованиям. Основными техническими характеристиками микрофона являются.

1. Номинальный диапазон частот - диапазон частот, в котором определены параметры микрофона.

2. Чувствительность Е - отношение напряжения холостого хода на выходе микрофона к звуковому давлению, действующему на микрофон.

Для суждения о качестве микрофона надо знать частотную характеристику его чувствительности.

3. Неравномерность частотной характеристики чувствительности - отношение максимальной чувствительности к минимальной чувствительности микрофона в номинальном диапазоне частот, выраженное в децибелах. Частотная характеристика чувствительности измеряется как при фронтальном падении звуковой волны (вдоль акустической оси микрофона), так и при падении звуковой волны по углом 90⁰ и 180⁰ (тыловая), т.е. при повороте микрофона. Отношение чувствительности при фронтальном и тыловом падении звуковой волны на одной и той же частоте дает представление о направленных свойствах микрофона. Отношение чувствительности фронт-тыл очень важно при оценке работы микрофона в системах звукоусиления.

4. Стандартный уровень чувствительности N - отношение напряжения, развиваемого на номинальном сопротивлении нагрузки при звуковом давлении один Па, к напряжению,  соответствующему мощности в один мВт, выраженное в децибелах

          Здесь P_P=1Па - есть мощность, отдаваемая микрофоном номинальной нагрузке при эффективном значении звукового давления в 1 Па, Z_H - электрическое сопротивление нагрузки микрофона, 10^-3 Вт есть нулевой уровень мощности.

 дБ.

Обычные значения стандартного уровня осевой чувствительности микрофонов составляют - (70+78) дБ для микрофонов электродинамического типа, и доходят до - 50 дБ для микрофонов конденсаторных.

5. Рабочая ось микрофона - прямая, проходящая через рабочий (акустический) центр микрофона и совпадающая с направлением его преимущественного использования.

6. характеристика направленности. В подавляющем большинстве случаев микрофон имеет ярко выраженную ось симметрии. Определяя осевую чувствительность, мы имеем в виду звуковую волну, подаваемую на микрофон вдоль его оси симметрии (акустической оси). Если же волна падает по некоторым углом, то чувствительность может быть другой. Микрофоны делятся на направленные и ненаправленные. Характеристика направленности

,

графически строится в полярных координатах. У ненаправленных микрофонов D(q) =1 и диаграмма имеет форму круга.

          Если конструкция микрофона обладает осевой симметрией, то и диаграмма направленности будет обладать ею.

          Если оси симметрии нет, то характеристики  направленности указываются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. В большинстве случаев характеристика направленности зависит от частоты.

7. Коэффициент и индекс направленности. Пусть микрофон работает в диффузном поле, звук на микрофон падает со всех сторон. Из точки расположения микрофона опишем сферу произвольного радиуса, проведем акустическую ось и под произвольным углом q отложим бесконечно малое приращение         dq (рис.6.1). Поверхность пояска, стягивающего этот угол dq, будет равна

.

В условиях диффузного поля потоки звуковой энергии приходят к микрофону по всем направлениям равновероятно. Найдем относительную долю энергии, падающей на микрофон под углом q  (от q  до q + dq).

Рис. 6.1.

 Если S - полная поверхность сферы, то  есть вероятность падения энергии под углом q. На волны, падающие под углом q,  приходится доля мощности.

.

Интегрируя от 0 до p, получим всю мощность P_p=0,1

где    - есть коэффициент направленности . Для ненаправленных микрофонов D(q)=1 и W=1. Для всякого направленного микрофона W>1.

Стандартный уровень чувствительности при работе в диффузном поле

.

 Q = 10lgW - есть индекс направленности. Он выражается в децибелах. Для ненаправленных микрофонов Q=0, для направленных Q>0.

          8. Чувствительность в диффузном поле Е_g

_.

          Чем острее характеристика направленности, чем больше W тем ниже чувствительность в диффузном поле Е_g, т.е. тем меньше чувствительность к реверберирующему звуку.

          9. Перепад чувствительности «фронт-тыл» - отношение чувствительности микрофона в направлении рабочей оси к чувствительности под углом 180⁰ к рабочей оси.

          10. Уровень эквивалентного звукового давления помех - уровень звукового давления, вызывающего на выходе микрофона напряжение, равное напряжению, возникающему под воздействием внешних и внутренних помех при отсутствии звукового поля.

          11.  Номинальное сопротивление нагрузки - сопротивление нагрузки, которое должно быть подключено к выходу микрофона (оговаривается в технической документации).

 

6.2 Чувствительность микрофона

 

          Микрофон является преобразователем-генератором, для которого  (см. общие уравнения преобразователя).  Здесь     - внесенное в механическую часть преобразователя электрическое сопротивление.

          Внешняя сила, действующая на микрофон, пропорциональна давлению в свободном звуковом поле

F = j_ак × P

          Коэффициент пропорциональности j_ак имеет размерность площади и в общем случае зависит от частоты и от угла падения волны на микрофон. j_ак называется акустической характеристикой микрофона.

          Напряжение холостого хода U_i=0 = KV.

          Напряжение при работе на нагрузку Z_H

U = U_i=0 = ,

здесь Z - собственное электрическое сопротивление микрофона.

          Раскроем значение U_i=0, подставляя скорость V.

U =  

          Чувствительность микрофона есть отношение развиваемого микрофоном напряжения к давлению в свободном звуковом поле, т.е.

          Это общая формула для определения чувствительности микрофона. Помимо этого чувствительность микрофона можно представить как произведение трех отношений

Отношение называется электрической характеристикой. Это не коэффициент электромеханической связи, так как под U не всегда понимается напряжение холостого хода. Электрическая характеристика дает представление об электрических свойствах преобразователя. 

Отношение Механическая характеристика j_мех является величиной обратной механическому сопротивлению и характеризует механические свойства преобразователя. Отношение  называется акустической характеристикой. Отношение силы к давлению, действующему на микрофон, определяется чисто акустическими свойствами приемника, формой и размерами микрофона, характером звуковой волны.

          По виду акустической характеристики  микрофоны делятся на приемники давления и приемники градиента давления. Приемниками давления называются такие микрофоны, у которых действующая сила определяется давлением на одну сторону звукоприемного элемента. Поршень под действием звукового поля движется вдоль оси, перпендикулярной поршню. Оборотная сторона поршня от действия звуковой волны закрыта (см. рис.6.2). Приемник давления можно представить себе как некоторый капсюль, закрытый с одной стороны поршневой диафрагмой S. Сила, действующая на диафрагму F=P×S, если P - давление перед диафрагмой.Эта формула справедлива для волны любой формы и шаровой, и плоской, но нуждается в следующей оговорке: формула справедлива до тех пор, пока размеры микрофона остаются малыми по сравнению с длиной падающей волны   (d<<l),

ибо  только   при  этом   условии   давление   перед      микрофоном

будет совпадать с давлением в свободном звуковом поле. Если же длина волн будет соизмерима с размером микрофона, то присутствие микрофона в поле будет нарушать его: на основное поле будет накладываться весьма сложное поле диффрагировавших волн.

          Картина будет сложной даже для самых простых геометрических форм микрофона. Давление перед микрофоном возрастет, а за микрофоном упадет. Если размеры микрофона малы, дифракция отсутствует, и сила, действующая на приемник давления, связана с давлением постоянной величиной, равной площади приемника S. Таким образом, . Акустическая характеристика приемника давления малых по сравнению с длиной волны размеров, не зависит ни от частоты, ни от угла падения звуковой волны; приемник давления малых по сравнению с длиной волны размеров является ненаправленным приемником, так как из всех трех характеристик, определяющих чувствительность, от угла падения волны может зависеть только акустическая характеристика.

          К сожалению, условие d<<l не выдерживается в пределах всего диапазона частот. На частоте 100 Гц l  = 3,5 м, 1000 Гц - 35 см, 10000 Гц - 3,5 см. Длина волны уже меньше или соизмерима с размером микрофона. Приходится принимать меры к тому, чтобы дифракционные явления сказывались только на более высоких частотах.

          Приемник градиента давления. Принцип действия приемника градиента давления схематически представлен на рис. 6.3. Два поршня, жестко связанных между собой, двигаются в трубе.

Площади поршней S, расстояние между ними d давление у левого поршня p₁ , у правого p₂. Пусть на приемник падает плоская волна под углом q к акустической оси приемника. В этом случае давления р₁ и р₂  будут  отличаться только по фазе. (В сферической волне давления

в разных точках поля отличаются как по фазе, так и по амплитуде).   Разность   ходов лучей,   приходящих   на  правый и левый поршень, будет равна dcosq; благодаря этой разности ходов и разнятся давления р₁ и р₂.

          При таком устройстве приемника сила, действующая на систему, определяется разностью давлений на левый и правый поршни (в пределе градиентом давления) поэтому такие приемники и называются приемниками градиента давления.

F = (p₁ - p₂) S.

          Так как градиент давления есть вектор, то приемники градиента давления обладают направленными свойствами. Это очевидно: сила, действующая на систему, будет максимальной тогда, когда волна падает параллельно оси слева или справа; при падении звуковой волны вертикально сверху или снизу, р₁ будет равно р₂, сила, действующая на микрофон, будет равна 0 и j_ак  = 0.

          Модуль акустической характеристики приемника градиента давления в поле плоской волны имеет вид

.

Здесь K=2p - волновое число. Отсюда следует, что акустическая характеристика приемника градиента давления малых, по сравнению с длиной волны размеров, работающего в поле плоской волны, пропорциональна частоте и зависит от угла падения волны q. Значит приемник градиента давления обладает направленностью.

        Вид акустической характеристики меняется, если приемник работает в поле сферической волны. Теперь давления р₁ и р₂ отличаются не только по фазе, но и  по амплитуде

Здесь К - по-прежнему волновое число, а r - расстояние от приемников до источника звука.

          Акустическая характеристика приемника градиента давления малых размеров, по сравнению с длиной волны работающего а поле волны зависит от частоты и от угла падения волны.

          На низших частотах и на близких расстояниях от источника звука, когда произведение Kr мало,  будет величиной большой, и значит сила, действующая на приемник градиента давления в поле шаровой волны, будет больше, чем при тех же условиях в поле плоской волны.

          Член  возрастает в сторону низких частот, и значит приемник градиента давления в поле шаровой волны подчеркивает низкие частоты.

          Это обстоятельство объясняется тем, что в шаровой волне убывание амплитуд происходит особенно резко на малых расстояниях от источника и в области низших частот. Если произведение Kr становится большим, то  мал и акустическая характеристика  приемника градиента давления в шаровой волне становится равной акустической  характеристике приемника градиента давления в плоской волне. Это понятно, так как в шаровой волне в дальней зоне амплитуды убывают слабо и волна близка по своим свойствам к плоской волне. При малых значениях Kr в ближней зоне амплитуды убывают резко и градиент давления велик. При больших значениях Kr в дальней зоне волна практически может считаться плоской; в дальней зоне давления р₁ и р₂ отличаются только по фазе (см. рис. 6.4). В обоих случаях акустическая характеристика пропорциональна cosq. Характеристика направленности приемника

но чувствительность зависит от угла падения только через акустическую характеристику. Значит D(q) = cosq.

Характеристики направленности принято строить в полярных координатах; косинусоида в полярных координатах представляет собой две окружности, касающиеся друг друга в начале координат, т.е. восьмерку, (см. рис. 6.5).

                       Рис. 6.4                                    Рис.6.5

 

          Ненаправленный приемник, микрофон давления имеет D(q)=1, и диаграмма направленности представляет собой окружность (см. рис.6.6). Характеристики направленности в виде окружности и восьмерки не всегда удовлетворяют разнообразным   требованиям  вещания,  записи  и   звукоусиления. Практически бывает необходимо работать с микрофонами, обладающими более острой и односторонней направленностью. Такой направленностью обладают комбинированные микрофоны.        Соединяя два микрофона, один из которых является приемником давления, другой приемником градиента давления, можно получить микрофоны с различными характеристиками направленности (комбинированные микрофоны).

.         Пусть микрофон-приемник давления имеет чувствительность Е₁, а микрофон-приемник градиента давления имеет чувствительность, зависящую от угла падения волны, Е₂ cosq. Если оба микрофона совместить в звуковом поле, а электрически соединить последовательно, тогда развиваемые ими напряжения будут    складываться   и  получится  приемник с чувствительностью 

E_q = E₁ + E₂ cosq.

          При этом предполагается, что оба приемника предельно сближены. Диаграмма направленности такого комбинированного приемника будет представлять собой кардиоиду (см. рис. 6.7). Действительно, складывая алгебраически диаграммы направленности приемника давления и приемника градиента давления (окружность и восьмерку), получаем фигуру, называемую кардиоидой (рис. 6.8).

          Рис.6.7                                                      Рис.6.8

 

          При осевом падении звуковой волны q=0, cosq  = 1 и E₀=E₁+E₂.

Введем параметр , характеризующий долю участия приемника градиента давления в общей чувствительности.

Тогда E₂ = qE₀ и E₁ = E₀ -E₂ = E₀ (1-q), а чувствительность

Е_q = Е₀×[1-q+qcosq].

Таким образом, комбинированный приемник, малых по сравнению с длиной волны размеров, будет иметь направленность с характеристикой D(q) = , зависящей от параметра q.

          Меняя этот параметр, можно получить разнообразные характеристики направленности, а также различные значения перепада «фронт-тыл». Действительно, подставляя характеристику направленности D(q)  в выражение для коэффициента направленности W, получим:

    и    .

Ниже приведены некоторые практически встречающиеся частные случаи

 

	q	D(q)	Qф.т.	Q	Тип-диаграмма направленности
1	0	1	0	0	Круг (работает ненаправленный приемник)
2		(1+cosq)	8,44	4,77	Кардиоида
3	0,63	0,37+0,63cosq	11,52	5,6	Суперкардиоида
4	0,75		8,44	6,0	Гиперкардиоида
5	1	cos q	0	4,77	Восьмерка

 

          Возможны и различные промежуточные случаи. Комбинированные приемники можно делать не только путем электрического соединения двух микрофонов различных типов, возможны акустически комбинированные микрофоны. Микрофон конструируется так, что сила, действующая на подвижный элемент микрофона, имеет две компоненты

F = [j_ак1 + j_ак2]p,

при чем j_ак1 - не зависит от угла падения волны, т.е. это часть, соответствующая приемнику давления; j_ак2 - зависит от угла падения волны, т.е. пропорциональна cosq, это часть, соответствующая приемнику градиента давления.

          Как это делается конструктивно, будет показано конкретно на различных типах микрофонов.

          Идут и дальше. Два акустически комбинированных микрофона соединяют электрически последовательно, но с различными фазовыми соотношениями.

Какие характеристики направленности будут иметь два акустически-комбинированных (кардиоидных) микрофона, соединенные последовательно, если их акустические оси  направлены в противоположные стороны?

, 

          Разница знаков и говорит о противоположном направлении осей. Суммарная чувствительность E_q будет равна:

.

Отсюда получаются все типы характеристик направленности, перечисленные в таблице, и промежуточные случаи. Такие микрофоны называются электрически комбинированными. 

Если E₀₁ = E₀₂ - получается круг.

Если E₀₁ = -E₀₂ - получается косинусоида, т.е. диаграмма направленности восьмерка.

          Подбирая различные соотношения чувствительностей, можно иметь большое число разнообразных диаграмм направленности. Кроме того, электрически можно соединять микрофоны в различных фазах и соотношения между величинами чувствительностей (величинами развиваемых напряжений) приемников, составляющих систему, делать разными. Возможно и плавная регулировка. Особенно удобно то обстоятельство, что изменение направленности микрофонов можно производить дистанционно электрическим  путем.

          По виду электрической характеристики микрофоны делятся на приемники скорости и приемники смещения.

          Приемники скорости называются такие микрофоны, у которых развиваемое напряжение пропорционально скорости движения подвижной системы. К этому классу относятся все микрофоны, у которых развиваемая ЭДС является ЭДС индукции, т.е. приемниками скорости обязательно будут все микрофоны индуктивного типа. Если развиваемая микрофоном ЭДС пропорциональна скорости движения подвижной системы, то электрическая характеристика   является величиной постоянной, от частоты не зависящей, ведь U пропорционально V. Для приемника скорости

j_эл = const.

          Микрофоны, у которых развиваемое напряжение пропорционально смещению подвижной системы, называются приемниками смещения. К этому классу приемников относятся емкостные (конденсаторные) и пьезоэлектрические микрофоны. Так как V=jwx  (для гармонического колебания), то  = ;   и так как   для приемников смещения, то j_эл =  (j тоже от частоты не зависит), т.е. электрическая характеристика приемника смещения обратно пропорциональна частоте. На рис.6.9 и 6.10 представлены частотные зависимости акустической и электрической характеристик. Представление чувствительности микрофона, как произведения трех характеристик j_ак, j_эл и j_мех   позволяет провести так называемое согласование характеристик микрофона, т.е. такой подбор характеристик, который обеспечивает независимость чувствительности микрофона от частоты.

                   Рис. 6.9                                               Рис.6.10

 

 

          6.3 Электродинамический микрофон с подвижной катушкой

         

6.3.1 Устройство и работа

микрофона показано на рис.6.11. Магнитная система микрофона состоит из цилиндрического постоянного магнита из высококоэрцитивного сплава ЮНД-4, ЮНДК-24, ЮНД-25 и магнитопровода из малоуглеродистой стали ЭАА,К-50Ф2. Магнитопровод состоит из центрального стержня и двух фланцев. Рабочее магнитное поле создается в кольцевом зазоре, образованном отверстием в верхнем фланце и круглым стержнем.   Подвижная   система   состоит   из  легкой диафрагмы и звуковой катушки. Для большей жесткости диафрагма имеет куполообразную форму. Крепится диафрагма с помощью гофрированного воротника, допускающего свободное перемещение диафрагмы в осевом направлении. Жестко связанная с диафрагмой звуковая катушка находится в радиальном магнитном поле; при колебании диафрагмы под действием звуковой волны в катушке индуктируется ЭДС, так как витки катушки пересекают магнитные силовые линии, т.е. микрофон является преобразователем-генератором индуктивного типа.

 

6.3.2  Чувствительность     микрофона   и   ее     частотная    

           характеристика

 

 

 

          Каким должен быть микрофон, чтобы его чувствительность была большой и мало зависела от частоты?

Это приемник давления, j_ак = const, приемник скорости - j_эл = const. Значит j_мех и z_мех должны быть независимыми от частоты. Построим схему электрического аналога (рис.6.12). Звуковое поле действует на систему с силой рS₁.

Сила приложена к диафрагме с массой m₁ и гибкостью закрепления С₁. С₀ - гибкость объема под диафрагмой должна быть включена параллельно первичной обмотке акустического трансформатора с коэффициентом n = . S₂ - площадь щелей, через которые объем под диафрагмой сообщается с объемом внутри магнита

                                                                               C₀ = ,

если n есть объем полости между диафрагмой и сердечником.

          Во вторичную обмотку трансформатора должны быть включены масса воздуха, продуваемого при движении диафрагмы внутрь магнита m₂, сопротивление продувания r и последовательно гибкость C₂ - гибкость воздушного объема n₂, расположенного внутри магнита (гибкость замкнутого объема всегда включается последовательно)

C₂ = ,

Перенесем все элементы, расположенные во вторичной обмотке трансформатора, в его первичную обмотку (рис.6.26). Входное сопротивление этой схемы есть как раз полное механическое сопротивление микрофона z_мех. По условию оно не должно зависеть от частоты, а схема содержит много реактивных элементов. Можно обеспечить независимость z_мех от частоты только в том случае, если схема рис.6.13 будет полосовым фильтром, соответствующим образом нагруженным. Превратить схему в симметричное звено фильтра можно при надлежащем подборе величины коэффициента трансформации. Тогда

m₁ = n²m₂ = m,  C₁ = .

          Чтобы входное сопротивление фильтра z_мех не зависело от

                Рис.6.13                                                  Рис.6.14

 

частоты  в  рабочей   полосе,   необходимо   нагрузить   фильтр   на

характеристическое сопротивление,   т.е.   потребовать   равенства

n²r = Z_т,          Z_т = .

Может показаться, что это невозможно. Сопротивление n²r не зависит от частоты, а Z_т от частоты зависит. Эта зависимость представлена на рис.6.14.  Здесь

Сопротивление Z_т зависит от частоты только вблизи граничных частот. В значительной части рабочей полосы Z_т от частоты не зависит, и если вести расчет на полосу частот несколько более широкую, чем заданная, то можно обеспечить равенство

При согласованной нагрузке входное сопротивление фильтра тоже будет равно  Значения граничных частот определяются массой диафрагмы m₁, и гибкостью подвеса C₁ (нижняя) и соотношением между гибкостью подвеса C₁ и гибкостью C₀ (верхняя). Нижняя граничная частота не может быть сделана очень малой, так как для этого должны быть большими  m₁ и C₁ или одна из этих величин.

          Увеличение массы m₁ сильно понизит чувствительность микрофона. Увеличение гибкости C₁ возможно только до известных пределов, так как при очень большой гибкости подвижная система не будет приходить в положение равновесия. Приходится корректировать чувствительность микрофона в области низших частот. Внутренняя полость микрофона соединяется с окружающей средой узкой трубкой. Тогда объем полости и отверстия трубки составляет резонатор Гельмгольца и частотная характеристика чувствительности выравнивается в области частот w<w₁ за счет усилительного действия резонатора. Если собственная частота резонатора будет лежать около 40 Гц, то нижняя граничная частота микрофона может достигать значения 50-60 Гц, т.е. частотная характеристика чувствительности микрофона может быть сделана достаточно хорошей в нужном диапазоне частот.

          Величина чувствительности в этой полосе может быть определена по формуле:

E =

Чувствительность микрофона тем выше, чем меньше масса подвижной системы и конечно тем больше, чем больше величина магнитной индукции в зазоре B и длина провода звуковой катушки l. Площадь диафрагмы S₁ тоже стоит в числителе выражения и действительно, чем больше площадь приемника, тем большая сила будет на него действовать при том же давлении в звуковом поле, но увеличение размеров диафрагмы кладет предел верхняя граничная частота воспринимаемых частот. Чем больше размеры микрофона, тем до менее высоких частот он не нарушает картину поля и согласование характеристик остается справедливым.    Примером такого микрофона может служить микрофон МД-59, имеющий  номинальный  диапазон  частот  от   50 Гц  до 15000 Гц с неравномерностью характеристики в этой полосе частот 7-8 дБ (рис.6.15). По экспериментальным характеристикам направленности можно судить об его истинных направленных свойствах.

Совсем ненаправленным его можно считать только до 1000 Гц. Выше частоты характеристика направленности заметно обостряется благодаря дифракционным явлениям. Чувствительность микрофона составляет - 78 дБ (0,63 ) на частоте 1000 Гц, номинальное сопротивление нагрузки 250 Ом.

          В практической работе такие микрофоны удобны: они не требуют специальных источников питания, не чувствительны к изменениям температуры и влажности, к механическим сотрясениям (вследствие значительной гибкости воротника диафрагмы), допускают соединение с усилителем длинным кабелем (15 м).

 

6.3.3 Акустически комбинированный электродинамический микрофон с подвижной катушкой

          Вдоль сердечника микрофона протачивается канал или магнитная система представляет собой не стакан, а несколько отдельных колон (рис.6.16). Замкнутого воздушного объема нет, звуковая волна действует на диафрагму с обеих сторон. Периферическая часть диафрагмы работает как приемник давления, а центральная часть как приемник градиента давления. Такой микрофон обеспечит диаграмму направленности кардиоиду; например,    микрофон    МД-44:  стандартный    уровень       осевой

           Рис.6.16                                               Рис.6.17

 

чувствительности - 78 дБ, чувствительность на частоте 1000 Гц на номинальной нагрузке составляет 0,63 .

          Используя два кардиоидных электродинамических микрофона, одинаковые по своим параметрам, располагая их в одной конструкции очень близко друг к другу (один над другим), направляя их диафрагмы в разные стороны при параллельности акустических осей, можно получить электрически комбинированный электродинамический микрофон, способный обеспечить переменную регулируемую диаграмму направленности. При синфазном соединении звуковых катушек получается круговая диаграмма направленности, при противофазном восьмерка (косинусоида). Для получения «передней» и «задней» кардиоиды используются последовательно один или другой микрофоны (работает один, другой отключается). Примером такого микрофона может служить микрофон МД-69. На рис.6.17 приведена электрическая схема такого «универсального» микрофона. Капсюли М₁ и М₂ составляют основную конструкцию микрофона (очерчена пунктиром слева). Капсюли со всех сторон закрыты металлической сеткой (верхняя часть кожуха), с внутренней стороны которой наклеена ткань для предохранения от пыли. Переключатель диаграмм направленности П₁ и корректор низших частот П₂   размещены в отдельном корпусе, соединенном с микрофонами четырехжильным экранированным кабелем длиною около 10 м. Цепочки С₁, L₁, R₁,  и С₂, L₂, R₂ корректируют частотную характеристику микрофона в области 1-2 кГц. В положении I переключателя П₁ включается только капсюль М₁ (кардиоидная характеристика направленности, максимальная чувствительность с фронтальной стороны). В положении II капсюли М₁ и М₂ включены противофазно (восьмерка). В положении III капсюли включаются синфазно и диаграмма становится круговой. В положении IV включен только капсюль М₂ (кардиоида, максимум чувствительности с тыльной стороны). Для различения «фронта» и «тыла» фронтальную сторону микрофона делают светлой, а тыльную темной.

          Создание высокочувствительного широкополосного микрофона с малой неравномерностью частотной характеристики чувствительности и мало зависящей от частоты характеристикой направленности задача не простая. Решение ее облегчается, если разделить полосу воспринимаемых частот, т.е. подобно двухполосным громкоговорителям использовать двухполосные микрофоны. Один из пары работает в области 400 Гц, а другой от 400 Гц и выше. Такой микрофон Д-202 был разработан фирмой АКГ.

          В микрофонах высшего класса качества (особенно импортных) встречается переключатель «речь-музыка». В положении «речь» параллельно выходу включается дроссель, шунтирующий звуковую катушку так, чтобы на частоте 50 Гц снизить чувствительность на 10-20 дБ. Спад начинается с частот 300-500 Гц и составляет 6 дБ на октаву. Снижение чувствительности на низших частотах позволяет повысить разборчивость речи, особенно при передаче из помещений с чрезмерно большим временем реверберации.  

 

          6.4 Ленточный микрофон

 

          6.4.1 Устройство и работа

          Ленточный микрофон может быть выполнен в двух вариантах: он может быть приемником градиента давления и акустически комбинированным (кардиоидным). Ленточный микрофон - приемник градиента давления представлен на рис.6.18. В зазоре между

полюсными наконечниками постоянного магнита на зажимах из немагнитного материала подвешена очень тонкая алюминиевая ленточка, гофрированная для большей податливости. Так как лента доступна для воздействия звукового поля с обеих сторон, то она колеблется под действием разности давлений на двух сторонах, являясь таким образом приемником градиента давления. Колеблясь,. Ленточка пересекает линии магнитного поля и на ее зажимах индуктируется ЭДС, отображающая действующий акустический сигнал. Ленточный микрофон является индуктивным преобразователем. До тех пор, пока размеры микрофона можно считать малыми по сравнению с длиной волны, диаграммой направленности будет восьмерка. Непосредственно рядом с микрофоном расположен трансформатор, связанный кабелем с входным трансформатором усилителя и согласующий очень маленькое внутреннее сопротивление ленты R_i с нагрузочным сопротивлением R_H.

 

6.4.2 Чувствительность   микрофона   и ее частотная характеристика

          Как надо конструировать микрофон, чтобы его чувствительность не зависела от частоты? Если это приемник градиента давления, то 

j_ак º w.

Это микрофон индуктивного типа, значит его электрическая характеристика от частоты не зависит

j_эл = const.

          Следовательно, для согласования характеристик необходимо, чтобы механическая характеристика была обратно пропорциональна частоте, т.е. j_мех =  , а значит z_мех = .

В общем случае z_мех = r+jwm+ , значит для того, чтобы чувствительность микрофона не зависела от частоты. Необходимо выполнение двух неравенств:

wm >> r,

wm >> .

Из второго неравенства следует, что

w₂>> ,

и если собственная частота колебаний подвижной системы

w₀ = ,       то   w² >> w ,

т.е. собственная частота подвижной системы микрофона должна быть сделана ниже нижней граничной частоты рабочей полосы частот. Для понижения собственной частоты системы надо увеличить m или C.

          Увеличение массы нежелательно из-за понижения чувствительности (если масса велика, то при той же действующей силе скорость ее движения будет меньше). Собственную частоту системы повышают путем увеличения гибкости, податливости ленточки. Для этого ее делают очень тонкой и гофрированной. Но если масса системы мала, то не будет выполняться первое неравенство, т.е. надо всячески уменьшать r. Активное сопротивление ленточного микрофона в основном определяется его электрическими параметрами. Собственно механическое сопротивление потерь на вязкое трение в среде пренебрежимо мало, но при колебании ленточки в магнитном поле в ней наводится ЭДС и течет ток, который в свою очередь взаимодействует с магнитным полем и создает электродинамическую силу по правилу Ленца, направленную навстречу основному движению, т.е. тормозящую. Это тормозящая механическая сила будет восприниматься системой как наличие некоторого механического сопротивления (величину этого сопротивления можно определить разделив электродинамическую силу на скорость движения системы V)

F = Bli.

Индуктивное напряжение  U = BlV

.

Ибо   в цепи микрофона дает 2R_i, если микрофон нагружен согласованно (рис.6.19)

   

Таким образом, дополнительное механическое сопротивление электрического происхождения r =  будет равно

r =

Так как надо обеспечить выполнение первого неравенства даже на самых низких частотах рабочей полосы, то не следует брать B  очень большим, хотя это и увеличивает чувствительность. Если в громкоговорителях магнитную индукцию делают как можно больше, то здесь B не превышают 0,4 - 0,5 Т.

Завал частотной характеристики чувствительности микрофона в области низших частот, обусловленный возникновением этой тормозящей силы, может быть подсчитан по следующей формуле

                                 дБ

и начинается с частот порядка 60 Гц. Так как акустическая характеристика приемника градиента давления в поле шаровой волны отличается от акустической характеристики того же приемника в поле плоской волны на множитель , который будет особенно велик на низших частотах (малое  ) и на близких к источнику звука расстояниях (малое r), а согласование характеристик предусматривало линейную зависимость j_ак от частоты, то если микрофон приемник градиента давления будет очень близко расположен к источнику звука, он будет выделять (подчеркивать) низшие частоты.

          Уже при расстояниях меньших 0,3 м заметный подъем частотной характеристики чувствительности на частотах ниже 150 Гц придает звучанию неестественный тембр и снижает разборчивость. Чувствительность ленточного микрофона выражается формулой:

E =   

Здесь n - Коэффициент трансформации трансформатора,

           B - магнитная индукция в зазоре,

           - длина проекции ленточки на вертикальную плоскость,

           S - площадь ленточки,

           m - масса ленточки плюс присоединенная масса среды,

           C₀ - скорость звука.

          Ленточка имеет ширину 2 - 2,5 мм и длину 20 - 30 мм. Ленточка одновременно служит и звукоприемником и проводником, в котором индуктируется напряжение. Ленточка заключена в перфорированный металлический кожух с внутренней стороны затянутый частой сеткой или шелковой тканью. Ленточка должна быть защищена от пыли и сильных потоков воздуха. Корпус и сетка служат экраном для электромагнитных полей. Примером ленточного микрофона приемника градиента давления может служить микрофон МЛ - 16. Полоса воспроизводимых частот 50 - 15000 Гц с неравномерностью частотной характеристики чувствительности в этой полосе 8 дБ, номинальное сопротивление нагрузки 250 Ом, стандартный уровень осевой чувствительности - 76 дБ (чувствительность на частоте 1000 Гц 0,8 ). Ленточные микрофоны используются широко, особенно они нужны тогда, когда по смыслу передачи необходима диаграмма направленности восьмерка. Ленточные микрофоны используются в студиях и концертных залах.

Диаграмма направленности представляет собой восьмерку на низких и средних частотах, а на высоких частотах (1000 Гц и выше) направленность обостряется.

 

          6.4.3 Акустически комбинированный ленточный микрофон

          На рис.6.20 представлен ленточный акустически комбинированный микрофон. Верхняя часть ленточки открыта воздействию звукового поля с двух сторон и работает как приемник градиента давления, нижняя с одной стороны закрыта акустическим лабиринтом (труба свернута в лабиринт и заполнена поглощающим звук материалом, например, комочками шелковой ваты) и значит работает как приемник давления. Диаграмма направленности такого микрофона представляет собой кардиоиду. Верхняя часть микрофона заключена в перфорированный кожух, с внутренней стороны которого натянута сетка или шелковая ткань. Нижняя часть кожуха сплошная. Там расположен магнит, акустический лабиринт и выходной трансформатор. При симметричной форме корпуса фронтальную сторону окрашивают в светлый тон, а тыловую в темный. Крепление к стойке или штативу дополняют амортизирующим устройством. Примером микрофонов такого типа могут служить микрофоны МЛ-17, МЛ-19 (70-10000 Гц), неравномерность 10 дБ, номинальное сопротивление нагрузки 250 Ом, стандартный уровень  осевой  чувствительности -76 дБ (МЛ-17) и -74 дБ

(МЛ-19), чувствительность на частоте 1000 Гц 0,8  и 1 соответственно.  Наименьшая разность  чувстви-тельностей     10 дБ.

Микрофоны, представляющие собой последовательное электрическое соединение раздельно работающих приемников давления и приемников градиента давления, применялись в технике записи звука и радиовещании до тех пор, пока не были вытеснены акустически комбинированными микрофонами, более простыми и более компактными. Такая комбинация микрофонов использовала микрофон 10 А-I, представляющий собой микрофон с подвижной катушкой (приемник давления) и ленточный микрофон МДЛ (приемник градиента давления). Простая система коммутации позволяла получать при работе с этим микрофоном любую из трех диаграмм направленности - круг, восьмерку или кардиоиду.

 

6.5 Конденсаторный микрофон

 

6.5.1 Устройство и работа

По своим качественным показателям конденсаторные микрофоны являются самыми лучшими. Их чувствительность выше чувствительности   микрофонов   индуктивных   (-52 ¸ -60 дБ против -78 ¸ -70 дБ) и частотная характеристика чувствительности намного ровнее в широкой полосе частот (неравномерность составляет 4-5-6 дБ против 10-12-17 дБ у микрофонов индуктивного типа).

Однако конденсаторные  микрофоны сложны в изготовлении, дороги и используются преимущественно в профессиональных целях и измерительной аппаратуре.

Диаграмма направленности изменяется сравнительно просто, дистанционно (см. ниже). Применение в усилителях конденсаторных микрофонов транзисторов (в частности полевых) и электретной полимерной пленки для диафрагм (мембран) привело к значительному упрощению и удешевлению микрофонов при сохранении высоких качественных показателей. Можно ожидать поэтому, что в ближайшие годы область применения конденсаторных микрофонов расширится. Звукоприемный капсюль имеет диаметр от 2 до 35 мм. Мембрана микрофона изготовляется из тонкой (2-30 мкм) фольги нержавеющей стали, никеля, инвара, титана, твердых сплавов алюминия или очень  тонкой (3-6 мкм) полимерной пленки (полиэтилентерефталат, полиэфир), которая специально обрабатывается для старения и покрывается (металлизируется) с одной стороны оптически прозрачным слоем золота (способ вакуумного испарения). В некоторых образцах для уменьшения изгибной жесткости и устранения влияния структуры материала, ориентированной в направлении проката, фольга подвергается тиснению (неглубокому, около 5 мкм). Мембрана по окружности закрепляется клеем или кольцом с винтами; по краю же осуществляется ее контакт с корпусом. Расстояние между обкладками составляет 20-40 мкм. Неподвижный электрод делают из того же материала что и подвижный (если он металлический) для повышения температурной стабильности капсюля, а изолирующие детали из кварца. Если диафрагма изготовлена из полимерной пленки, то неподвижный электрод выполняется из радиокерамики или стеклопластика. Поверхность электрода металлизируется путем вожжения золота или серебра. Металлизированная поверхность в некоторых последних моделях покрывается изолирующим слоем окиси кремния, толщиной около 3 мкм, обладающей электрической пробивной прочностью около150 B.

 

6.5.2 Чувствительность конденсаторного микрофона и его

                  частотная характеристика

          Конденсаторный микрофон является преобразователем емкостного типа. Капсюль микрофона (та его часть, которая и является преобразователем) представляет собой плоский воздушный конденсатор, рис.6.21.

 

Рис.6.21

 

Одна из обкладок конденсатора массивна и неподвижна, другая легка, тонка и колеблется под действием падающей звуковой волны. При колебаниях мембраны емкость конденсатора меняется, если последовательно с конденсатором включены источник постоянного (поляризующего) напряжения U₀ и нагрузочное сопротивление R, то при изменениях емкости в цепи течет переменный ток; при возрастании емкости конденсатор заряжается, при уменьшении емкости течет ток разряда. Этот ток создает на сопротивлении R переменное напряжение U, отображающее акустический сигнал. Размеры микрофона должны быть малыми по сравнению с длиной волны, чтобы не было дифракции и картина поля не нарушалась.

          Емкость микрофона C оказывается порядка 100 пФ, поэтому первый каскад усиления располагается в непосредственной близости от микрофона; использовать кабель нельзя, так как погонная емкость кабеля оказывается того же порядка, что и емкость микрофона.

          Возможны два способа электрического соединения микрофона и усилителя (рис.6.22):

          а) Анодное напряжение используется как поляризующее.              Выход обычный, трансформаторный.

          б) Чаще применяется схема катодного повторителя. Поляризующее напряжение подается с сопротивления в катоде и обусловлено падением напряжения от анодного тока.

Выход низкоомный. Очень хорошо, что нет трансформатора.

Рис.6.22

 

Определим чувствительность конденсаторного микрофона - приемника давления, малых по сравнению с длиной волны размеров.

Внесенное сопротивление z_K  настолько мало по сравнению с z, что им можно пренебречь; j_ак = S до тех пор, пока размеры микрофона малы по сравнению с длиной волны.

 

K₁ =   - коэффициент электромеханической связи;

Z_H = R  - сопротивление, с которого снимается напряжение;

Z  - электрическое сопротивление заторможенного преобразователя

.

Предполагая, что подвижная система микрофона является системой с одной степени свободы, имеем

где m - масса мембраны,

       c - гибкость мембраны.

Упругость мембраны обусловлена как натяжением мембраны, так и упругостью слоя воздуха, заключенного между электродами

z = ,

если w₀ - собственная частота подвижной системы.

.

Как обеспечить независимость чувствительности от частоты в рабочей полосе частот? Для этого нужно выполнить два условия:

1. R >> .

2.               Тогда    .

 

Первое условие трудно выполнимо лишь вблизи нижней границы частотного диапазона. Если задать нижнюю границу частот , то на этой частоте чувствительность снижается на 3 дБ по сравнению со средними частотами. Но так как емкость микрофона очень мала, то R оказывается очень большим

R = 30 Мом при С₀ = 100 пФ  и  f = 50 Гц.

Такая большая величина нагрузочного сопротивления увеличивает уровень собственного шума микрофона. Для соблюдения второго условия требуется очень высокая собственная частота подвижной системы. Необходимость обеспечить высокую собственную частоту подвижной системы, определяет основные черты конструкции микрофона. Для уменьшения массы подвижной системы m  подвижный электрод делается из очень тонкой (25-30 мкм) фольги или же представляет собой высокополимерную органическую пленку, покрытую молекулярным слоем золота.

          Повышение собственной частоты путем сильного натяжения мембраны невозможно, требуемая малая гибкость достигается путем использования упругих свойств воздушного объема. С этой целью воздушный объем делается замкнутым, но чтобы изменения атмосферного давления не влияли на величину зазора (и, следовательно, на чувствительность микрофона) этот объем сообщается с наружным воздухом через капиллярный канал, достаточный для выравнивания очень медленно изменяющегося атмосферного давления, но не играющий никакой роли при колебаниях звуковой частоты. Тогда собственная частота

Здесь C₁  - гибкость, обусловленная натяжением мембраны;

           C₂ - гибкость воздушного объема, заключенного между

               мембраной и неподвижным электродом.  

Поскольку воздушный объем мал (d мало, порядка 30-40 мкм), упругость воздушного объема  значительно больше  и можно считать, что

.

Гибкость C₂ определяется такой простой формулой лишь при условии, что частицы воздуха под мембраной могут перемещаться только в направлении перпендикулярном ее поверхности. Фактически движение воздуха в подмембранном объеме имеет как нормальную, так и радиальную составляющие, и значение гибкости C₂  будет отличаться от величины, вычисленной по формуле

          Натягивать мембрану все же необходимо, чтобы компенсировать силы постоянного электростатического притяжения, обусловленные наличием поляризующего напряжения. Выбирая объем между электродами достаточно малым, можно сделать собственную частоту системы достаточно высокой. w₀ может быть сделана и ниже 10000 Гц, частотная характеристика не будет иметь подъема из-за достаточной величины активного механического сопротивления. Раскрывая значение результирующей гибкости C, имеем:      

Здесь gp₀  есть адиабатный модуль объемной упругости газа (gp₀ = 1,4×10⁵ Па).

Если   бы   неподвижный  электрод имел плоскую поверхность, то Sd = n  и чувствительность зависела бы только от поляризующего напряжения, а величина чувствительности была бы очень малой, так как поляризующее напряжение составляет 50-60 В. Но в конденсаторном микрофоне малая чувствительность особенно недопустима, так как велик уровень собственного шума (R велико). Для увеличения чувствительности неподвижный электрод делают не плоским, а снабжают его каналами, которые увеличивают подмембранный объем, не уменьшая значения электрической емкости микрофона, а значит и увеличивают чувствительность. Объем можно увеличить в 10 раз, не изменяя существенно емкость, а значит повысить чувствительность на 20 дБ (рис.6.23).

Стандартный уровень осевой чувствительности микрофона имеет величину порядка  -60 ¸ -52 дБ. Кроме того, эти каналы существенно увеличивают затухание системы, что необходимо для выравнивания частотной характеристики чувствительности в области высоких частот.

          По своим качественным показателям конденсаторные микрофоны являются лучшими, обладая очень ровной частотной характеристикой в широкой полосе частот. Однако изготовление их требует высокой технологической точности. К недостаткам микрофона следует отнести чувствительность к внезапным изменениям температуры, поэтому конденсаторные микрофоны используются предпочтительнее в студийных условиях. Конденсаторные микрофоны - приемники давления широко используются в технике акустических измерений. Незначительные нелинейные искажения, широкий динамический диапазон и малые габариты делают конденсаторные микрофоны пригодными для точных измерений звукового давления.

          Микрофон МК-5А имеет стандартный уровень чувствительности -73 дБ и неравномерность, не превышающую 4 дБ в полосе частот от 20 до 20000 Гц. Можно осуществить конденсаторный   микрофон,    работающий  как приемник градиента

давления и обладающий диаграммой направленности восьмеркой рис.6.24.  Подвижный электрод воспринимает звуковые давления, приходящие как слева, так и справа,  сквозь   прорези   в   неподвижных электродах. Сила, действующая на мембрану, определяется разностью давлений р₁ и р₂. Собственная частота такого микрофона может быть сделана очень высокой, так как силы электростатического притяжения уравновешиваются.

 

6.5.3   Акустически   комбинированный       конденсаторный

                    микрофон

          Капсюль микрофона имеет две мембраны из высокополимерной пленки, покрытой снаружи молекулярным слоем золота. Расположенный между мембранами неподвижный электрод, имеет глухие отверстия (увеличивающие затухание устройства, снижающие w₀) и сквозные каналы, соединяющие друг с другом воздушные объемы под мембранами. В электрическую цепь включена только одна из двух мембран (см. рис.6.25), на которую подается поляризующее напряжение    (60В)    относительно неподвижного электрода. Давление перед первой и второй мембранами р₁ и р₂ отличны друг от друга

р₂ = р₁ (1-jkD cosq),

D - диаметр капсюля.

Диаграмма направленности такого микрофона кардиоида, это микрофон одностороннего приема. Каким образом получается однонаправленный прием? Поясним это. Каково бы ни было фактическое движение подвижных электродов, его всегда можно представить как результат суперпозиции двух главных колебаний:

синфазного (когда мембраны движутся в одну сторону) и противофазного, когда они движутся навстречу друг другу. Синфазное колебание определяется величиной градиента давления, противофазное колебание может существовать в чистом виде только под воздействием звукового давления, в отсутствии градиента (например, при падении звуковой волны под углом 90⁰ к оси). Рассматривая результат сложения этих двух главных колебаний при различных углах падения звуковой волны, мы убедимся в том, что диаграмма направленности микрофона скажется кардиоидой (рис. 6.26).

          Вверху стрелками показаны синфазные колебания, внизу противофазные. При q=0⁰ к источнику звука обращена электрически действующая мембрана. В этом случае, действующие на левую мембрану синфазное и противофазное колебания, имеют один знак и мембрана колеблется с удвоенной амплитудой. Напротив, главные колебания правой мембраны имеют противоположные знаки, так что эта мембрана покоится.

                                  q=0⁰                q=90⁰                      q=180⁰

Рис.6.26

 

          При q=90⁰  синфазные перемещения отсутствуют, и амплитуда колебаний левой мембраны вдвое меньше чем в случае q = 0⁰.

          При q = 180⁰ правая мембрана колеблется с удвоенной амплитудой, а левая покоится, но так как правая мембрана электрически бездействует, то микрофон никакого напряжения не развивает. Кардиоидная характеристика направленности достигается за счет электрической асимметрии микрофона, при условии, что параметры системы выбраны с расчетом на взаимную компенсацию главных колебаний со стороны противоположной источнику: эти условия и находятся из рассмотрения схемы электрического аналога. Варьируя параметры микрофона, можно получить не только кардиоиду, но и характеристики направленности, близкие к кардиоиде.

          Примером микрофона такого типа является микрофона МК-13. Его стандартный уровень осевой чувствительности - 60 дБ при выходном сопротивлении 600 Ом. Это соответствует чувствительности 8 мВ/Па (на согласованной нагрузке). Неравномерность частотной характеристики составляет 6 дБ в полосе от 50 до 15000 Гц; перепад чувствительностей  около 12 дБ.

          Если два конденсаторных микрофона с кардиоидными характеристиками направленности (например, 2 микрофона 19А10 ориентированные противоположно) заставить работать на общую нагрузку, т.е. соединить электрически, то получается возможность иметь 8 различных диаграмм направленности, а переход от одной диаграммы к другой может быть произведен электрическим переключением, не трудно заметить, что капсюль кардиоидного микрофона по существу содержит в себе два микрофона с противоположно ориентированными акустическими осями. Однако используется один из них (один включен в электрическую цепь), тогда как второй, входя в состав механико-акустической системы, не развивает напряжения. Однако этот второй микрофон совершенно равноценен первому: достаточно включить в электрическую цепь вторую мембрану вместо первой, и мы осуществим поворот кардиоидной диаграммы направленности на 180⁰. Если обе мембраны будут включены в электрические цепи так, чтобы оба микрофона работали на общую нагрузку, то получится система, которая представляет собой последовательную комбинацию двух акустически комбинированных приемников, совмещенных в единой конструкции   (рис.6.27).   Это  микрофон  КМ-55А.  Когда переключатель

Рис.6.27

 

установлен в положение 2, правая половина капсюля не получает поляризующего напряжения и не действует. Микрофон при этом имеет диаграмму направленности кардиоиду. Когда переключатель установлен в положение 3, на обе половины капсюля подается одинаковое поляризующее напряжение. Происходит сложение двух кардиоид, повернутых на 180⁰. Микрофон будет иметь диаграмму направленности-окружность. При I положении переключателя происходит вычитание двух кардиоид, и микрофон приобретает диаграмму направленности восьмерку.

          Увеличивая число положений переключателя характеристик, т.е. число различных по величине и знаку значений поляризующего напряжения на правой мембране, можно получить и другие формы диаграммы направленности (например, супер и гиперкардиоиды) с той или иной ориентацией максимальной чувствительности. Сопротивление R_ф и конденсатор С_ф необходимы для того, чтобы при переключении не было слышно щелчков. Сопротивления R₁, R₂, R₃ и переключатель отнесены от микрофона и находятся у звукорежиссера.

          В современной радиовещательной практике для студийных работ применяются почти исключительно конденсаторные микрофоны, их качественные показатели очень высоки. Для нестудийных передач конденсаторные микрофоны неудобны. Возможны другие способы регулировки диаграммы направленности микрофонов. Некоторые из них описаны в книге М.М.Эфрусси «Микрофоны и их применение» М., «Энергия», 1974г. Там же приведены технические характеристики большого числа микрофонов различных типов.

          При малой емкости капсюля и большом сопротивлении нагрузки исключается непосредственное присоединение микрофона к усилителю даже коротким кабелем, поэтому в конструкцию конденсаторного микрофона всегда входит согласующий каскад, расположенный рядом с капсюлем. В этом каскаде используется либо лампа (с малым уровнем шума и стабильными параметрами), либо полевой транзистор. Требование малого уровня шума и высокого входного сопротивления долго ограничивали возможность применения транзисторов во входном каскаде. Только появление полевых транзисторов, обладающих малым уровнем шума, очень высоким входным сопротивлением, скромными требованиями к питанию, а также малыми размерами, позволило ввести в конденсаторный микрофон транзисторный усилитель. Широкое распространение транзисторов вызвало как бы второе рождение высокочастотных схем включения капсюля конденсаторного микрофона. Схемы высокочастотного включения микрофонов (прямо в модулятор передатчика) вышли из употребления вследствие ряда эксплуатационных неудобств (нестабильности частоты передатчика и громоздкости устройства). Современные схемы высокочастотного включения микрофонов также описаны в книге М.М.Эфрусси.

 

          6.5.4 Электретные микрофоны

          Электреты являются электрическим аналогом постоянного магнита. Это полимеры (смолы) несущие постоянный электрический заряд. Большие успехи в изготовлении стабильных электретов были достигнуты в последнем десятилетии. Из электретной пленки изготовляется подвижный электрод (диафрагма), а неподвижный отливается из керамики. Такой микрофон не нуждается в поляризующем напряжении, так как диафрагма и неподвижный электрод имеют поверхностный заряд, соответствующий поляризующему напряжению в 45-130 В. Для изготовления электретной пленки используется фторопласт (тефлон) толщиной в 6-12 мкм. Неподвижный электрод отливается из термоэлектрета - титаната кальция. Поверхность пленки или неподвижного электрода металлизируется с одной стороны.

 

          6.5.5 Измерительные микрофоны  

          Измерительные конденсаторные микрофоны имеют круговую диаграмму направленности и маленькие размеры (чем меньше микрофон, тем точнее он воспроизводит картину поля до самых высоких частот). Диаметр капсюля уменьшается до 2,25 мм. Полоса частот может быть сделана достаточно широкой (20-40000 Гц).

          Измерительные микрофоны должны обладать стабильностью параметров. Это накладывает особенности на их конструкции.

 

          6.5.6 Остронаправленные микрофоны

          Встречается много случаев когда требуется очень острая диаграмма направленности микрофона. Это необходимо, например, когда надо принять звук от удаленных источников при наличии шума или в системах звукоусиления. Увеличение направленности достигается использованием интерференционных явлений, обусловленных различной длиной отдельных путей, проходимых звуковыми волнами.

          Простейшим способом увеличения направленности является использование параболического рефлектора, в фокусе которого, диафрагмой к рефлектору, располагается микрофон. Звуковые волны, падающие на рефлектор вдоль его оси, отражаясь от его поверхности фокусируются и звуковое давление, воздействующее на микрофон, будет увеличено. Если направление прихода звука не совпадает с осью рефлектора, в фокусе соберется меньше звуковой энергии, и звуковое давление, действующее на микрофон, уменьшится. Диаметр рефлектора должен быть соизмерим с длиной волны на низших частотах диапазона. Рефлектор с диаметром 1 м будет эффективен до частоты 700 Гц. С ростом частоты сигнала направленность рефлектора увеличивается и иногда становится чрезмерной. Тогда микрофон несколько смещают или периферийная часть рефлектора покрывается материалом, поглощающим высокие частоты. Могут быть использования также рупора и акустические линзы. Возможно использование «линейного микрофона». Это обычный ненаправленный микрофон с пучком трубок различной длины перед диафрагмой. Звуковые волны, проходящие вдоль осей, расположенных равными уступами трубок, достигают диафрагмы микрофона в одной фазе, тогда как волны, приходящие под углом к осям трубок, проходят пути различной длины, частично поглощаются в трубках и оказываются не в фазе; звуковое давление, действующее на диафрагму, уменьшается.

          Длина трубок должна быть соизмерима с длиной волны. Для частоты 200 Гц длина трубок должна быть около 3 м.

          Можно также увеличить направленность, используя комбинацию из нескольких микрофонов. Микрофоны разносятся на небольшое расстояние. Такая группа обладает в плоскости, содержащей микрофоны, направленностью значительно более острой, чем направленность каждого отдельно взятого микрофона. Объясняется это опять таки разностью фаз давлений, действующих на каждый из микрофонов группы. Ширина диаграммы направленности (угол q₀) будет тем меньше, чем больше микрофонов входит в группу:

.

Здесь d - расстояние между микрофонами, а n их число.   - длина волны.