Оригинал документа находится здесь:http://dod.miem.edu.ru/NPT/Npt_01/uhf_a0/title.htm

Основные свойства звука_________________________________3ИСТОЧНИК ЗВУКА_________________________________________________________________________3

ЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ____________________________________________________________________4

ИНТЕНСИВНОСТЬ ЗВУКА___________________________________________________________________5

ТЕМБР ЗВУКА_____________________________________________________________________________7

Основные свойства слуха_________________________________9НЕЛИНЕЙНОСТЬ СЛУХА____________________________________________________________________9

РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ___________________________________________________________13

БИНАУРАЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ_________________________________________________________________16

Запись звука____________________________________________20ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗАПИСИ_____________________________________________________________20

МИКРОФОНЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ__________________________________21

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МИКРОФОНОВ________________________________________24

ОСНОВЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЗВУКОЗАПИСИ__________________________________________________28

ОСОБЕННОСТИ ЗАПИСИ СТЕРЕОСИГНАЛОВ________________________________________________30

ОСНОВЫ ФОТОГРАФИЧЕСКОЙ ЗВУКОЗАПИСИ_______________________________________________31

ОСНОВЫ МАГНИТНОЙ АНАЛОГОВОЙ ЗАПИСИ_______________________________________________32

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЦИФРОВОЙ ЗАПИСИ__________________________________________________35

ОСНОВЫ МАГНИТНОЙ ЦИФРОВОЙ ЗАПИСИ._________________________________________________38

ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ЗВУКОЗАПИСИ НА КОМПАКТ-ДИСК______________________________________39

SACD (SUPER AUDIO COMPACT-DISK)_______________________________________________________41

ОСНОВЫ МАГНИТООПТИЧЕСКОЙ ЗАПИСИ__________________________________________________43

Воспроизведение звука__________________________________46ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ_______________________________________________________________________46

ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ__________________________46Системная модель громкоговорителя______________________________________________________48Электродинамические___________________________________________________________________50Электростатичекие______________________________________________________________________51Рупорные______________________________________________________________________________52

СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ ГОЛОВОК_______________________________________________________________53ВЧ головки_____________________________________________________________________________53СЧ головки_____________________________________________________________________________53НЧ головки_____________________________________________________________________________54

ТИПЫ АКУСТИЧЕСКИХ ОФОРМЛЕНИЙ______________________________________________________54Плоский экран__________________________________________________________________________54Открытый корпус________________________________________________________________________55Закрытый корпус________________________________________________________________________56Корпус с фазоинвертором________________________________________________________________57Корпус с лабиринтом____________________________________________________________________59Рупорные системы______________________________________________________________________59

СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ АС_____________________________________________________________________60Двухполосные АС_______________________________________________________________________60Многополосные_________________________________________________________________________61

ФИЛЬТРЫ И КОРРЕКТИРУЮЩИЕ ЦЕПИ_____________________________________________________62

1

ПЕРЕХОДНАЯ И ИМПУЛЬСНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ.___________________________________________67

САБВУФЕРЫ_____________________________________________________________________________71

ПРОИГРЫВАТЕЛИ ГРАМПЛАСТИНОК________________________________________________________73

ПРОИГРЫВАТЕЛИ КОМПАКТ-КАССЕТ_______________________________________________________75

ПРОИГРЫВАТЕЛИ КОМПАКТ-ДИСКОВ_______________________________________________________76

MONO & STEREO_________________________________________________________________________78

DOLBY SURROUND PRO LOGIC_____________________________________________________________81

ОСНОВНОЙ ПРИНЦИП АКТИВНОГО ДЕКОДИРОВАНИЯ - УСИЛЕНИЕ ПО ДОМИНАНТНОМУ НАПРАВЛЕНИЮ__________________________________________________________________________82

КОНЦЕПЦИЯ ПОСТОЯННОГО ОБЩЕГО УРОВНЯ______________________________________________82

ПРИРОДА ДОМИНАНТНОГО СИГНАЛА_______________________________________________________83

DOLBY DIGITAL (AC-3)_____________________________________________________________________84Технические данные_____________________________________________________________________90

DIGITAL THEATRE SYSTEM________________________________________________________________90Кодирование и декодирование____________________________________________________________91Техническое описание DTS Cjherent Acoustics. Цели проектирования____________________________91Основной процесс кодирования___________________________________________________________92Главный декодирующий процесс__________________________________________________________92Характеристики DTS Coherent Acoustics____________________________________________________93

МНОЖЕСТВЕННЫЕ МУЛЬТИПЛЕКСНЫЕ АУДИО КАНАЛЫ______________________________________93

ЧАСТОТА ДИСКРЕТИЗАЦИИ И ДЛИНА АУДИО-СЛОВА_________________________________________94

АРХИТЕКТУРА КОДИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ. ВХОДНЫЕ КАНАЛЫ__________________________________94

SONY DYNAMIC DIGITAL SYSTEM___________________________________________________________95

TOMLINSON HOLMAN EXPERIMENT_________________________________________________________98

КИНО___________________________________________________________________________________98

"THX" ДОМА_____________________________________________________________________________99

Передача звука_________________________________________101ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ______________________________________________________________________101

ШУМЫ И ПОМЕХИ В ТРАКТАХ И КАНАЛАХ СВЯЗИ И ВЕЩАНИЯ________________________________103

ЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ_________________________________________________________________104

НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ______________________________________________________________105

ПЕРЕХОДНЫЕ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ИСКАЖЕНИЯ__________________________________________107

Акустика закрытых помещений___________________________108ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ______________________________________________________________________108

ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ_____________________________________________________________________109

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ______________________________________________________________113

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ______________________________________________________________126

РАСЧЕТ РАСПОЛОЖЕНИЯ АС И СЛУШАТЕЛЯ В КОМНАТЕ____________________________________132

РАСЧЕТ РАСПОЛОЖЕНИЯ АКУСТИКИ В КОМНАТЕ___________________________________________135

Глоссарий______________________________________________________________________________135

2

Основные свойства звука

Источник звука

Звук - распространяющиеся в упругих средах, газах, жидкостях и твердых телах

механические колебания, воспринимаемые ухом.

Источник звука - различные колеблющиеся тела, например туго натянутая струна

или тонкая стальная пластина, зажатая с одной стороны. Как возникают

колебательные движения? Достаточно оттянуть и отпустить струну музыкального

инструмента или стальную пластину, зажатую одним концом в тисках, как они будут

издавать звук. Колебания струны или металлической пластинки передаются

окружающему воздуху. Когда пластинка отклонится, например в правую сторону, она

уплотняет (сжимает) слои воздуха, прилегающие к ней справа; при этом слой

воздуха, прилегающий к пластине с левой стороны, разредится. При отклонении

пластины в левую сторону она сжимает слои воздуха слева и разрежает слои

воздуха, прилегающие к ней с правой стороны, и т.д. Сжатие и разрежение

прилегающих к пластине слоев воздуха будет передаваться соседним слоям. Этот

процесс будет периодически повторяться, постепенно ослабевая, до полного

прекращения колебаний (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Распространение звуковых волн от колеблющейся пластинки.

Таким образом колебания струны или пластинки возбуждают колебания

окружающего воздуха и, распространяясь, достигают уха человека, заставляя

колебаться его барабанную перепонку, вызывая раздражение слухового нерва,

воспринимаемое нами как звук.

Колебания воздуха, источником которых является колеблющееся тело, называют

звуковыми волнами, а пространство, в котором они распространяются, звуковым

полем.

3

Скорость распространения звуковых колебаний зависит от упругости среды, в

которой они распространяются. В воздухе скорость распространения звуковых

колебаний в среднем равна 330 м/с, однако она может изменяться в зависимости от

его влажности, давления и температуры. В безвоздушном пространстве звук не

распространяется.

При распространении звука, вследствие колебаний частиц среды, в каждой точке

звукового поля происходит периодическое изменение давления. Среднее

квадратичное значение величины этого давления, обозначаемое буквой P, называют

звуковым давлением. За единицу звукового давления принята величина, равная

силе в один ньютон (Н), действующей на площадь в один квадратный метр (Н/м2).

Чем больше звуковое давление, тем громче звук. При средней громкости

человеческой речи звуковое давление на расстоянии 1м от рта говорящего

находится в пределах 0,0064-0,64.

Звуковые колебания

Рис. 1.2. График простого (синусоидального) колебания

Форма звуковых колебаний зависит от свойств источника звука. Наиболее простыми

колебаниями являются равномерные или гармонические колебания, которые можно

представить в виде синусоиды (рис. 1.2). Такие колебания характеризуются частотой

f, периодом Т и амплитудой А.

Частотой колебаний называют количество полных колебаний в секунду. За единицу

измерения частоты принят 1 герц (Гц). 1 герц соответствует одному полному (в одну

и другую сторону) колебанию, происходящему за одну секунду.

Периодом называют время (с), в течение которого происходит одно полное

колебание. Чем больше частота колебаний, тем меньше их период, т.е. f=1/T. Таким

образом, частота колебаний тем больше, чем меньше их период, и наоборот.

4

Рис. 1.3. График звуковых колебаний при произношении звуков а, о и у.

Голос человека создает звуковые колебания частотой от 80 до 12000 Гц, а слух

воспринимает звуковые колебания в диапазоне 16-20000 Гц.

Амплитудой колебаний называют наибольшее отклонение колеблющегося тела от

его первоначального (спокойного) положения. Чем больше амплитуда колебания,

тем громче звук. Звуки человеческой речи представляют собой сложные звуковые

колебания, состоящие из того или иного количества простых колебаний, различных

по частоте и амплитуде. В каждом звуке речи имеется только ему свойственное

сочетание колебаний различной частоты и амплитуды. Поэтому форма колебаний

одного звука речи заметно отличается от формы другого, что видно на рис. 1.3, на

котором изображены графики колебаний при произношении звуков а, о и у.

Любые звуки человек характеризует в соответствии со своим восприятием по

уровню громкости и высоте.

Громкость тона какой-либо данной высоты определяется амплитудой колебаний.

Высота тона определяется частотой колебания. Колебания высокой частоты

воспринимаются как звуки высокого тона, низкой частоты - как звуки низкого тона

(рис. 1.4).

Рис. 1.4. Два музыкальных тона одной высоты и разной громкости (а) и одинаковой громкости, но разной

высоты (б).

Интенсивность звука

Тело, являющееся источником звуковых колебаний, излучает энергию, переносимую

звуковыми колебаниями в пространство (среду), окружающее источник звука.

Количество звуковой энергии, проходящей в одну секунду через площадь в 1 м2,

5

расположенную перпендикулярно направлению распространения звуковых

колебаний, называют интенсивностью (силой) звука.

Величину ее можно определить по формуле:

I=P2/Cp0 [Вт/м2]    (1.1)

где: Р - звуковое давление, н/м2; С – скорость звука, м/с; р0 – плотность среды.

Из приведенной формулы видно, что при увеличении звукового давления

интенсивность звука возрастает и, следовательно, увеличивается его громкость.

Когда мы ведем обычный разговор с кем-нибудь из друзей, поток энергии в 1 сек

равен ~10 мкВт. Звуковой поток от оратора, выступающего перед публикой, лежит в

пределах от 200 до 2000 мкВт. Мощность самых громких звуков скрипки может

составлять приблизительно 60 мкВт, а мощности звуков органных труб составляют

от 140 до 3200 мкВт. Интенсивность самого слабого звука, который еще можно

услышать, составляет приблизительно одну миллионную микроватта на 1м2, самого

громкого – около одного миллиона микроватт.

Интенсивность звукового колебания и громкость восприятия находятся в

определенной зависимости. Прирост ощущения (громкости) пропорционален

логарифму отношения раздражений (интенсивностей), т.е. при восприятии двух

звуков с интенсивностями I1 и I2 ощущается разница в их громкости, равная

логарифму отношения интенсивностей этих звуков. Эта зависимость определяется

формулой:

    (1.2)

где: S – приращение громкости, Б; К – коэффициент пропорциональности,

зависящий от выбора единиц измерения, I1 и I2 – начальное и конечное значения

интенсивности звука. Бел – единица приращения громкости, соответствующая

изменению силы звука в 10 раз.

Если коэффициент К принять равным 1, а отношение I1/I2 =10, то

6

    (1.3)

Слух человека различает приращение громкости на 0,1 Б. Поэтому в практике

используют более мелкую единицу измерения – децибел (дБ), равный 0,1 Б. В этом

случае формула запишется так:

    (1.4)

Таблица 1.1. Интенсивности и уровни различных звуков.

Звук Интенсивность, мкВт/м2 Уровень звука, Б Уровень звука, дБ

Порог слышимости 0,000001 0 0

Спокойное дыхание 0,00001 1 10

Шум спокойного сада 0,0001 2 20

Перелистывание страниц газеты 0,001 3 30

Обычный шум в доме 0,01 4 40

Пылесос 0,1 5 50

Обычный разговор 1,0 6 60

Радио 10 7 70

Оживленное уличное движение 100,0 8 80

Поезд на эстакаде 1000,0 9 90

Шум в вагоне метро 10000,0 10 100

Гром 100000,0 11 110

Порог ощущений 1000000,0 12 120

Если ухо человека воспринимает одновременно два или несколько звуков различной

громкости, то более громкий звук заглушает (поглощает) слабые звуки. Происходит

так называемая маскировка звуков, и ухо воспринимает только один, более громкий

звук. Сразу после воздействия на ухо громкого звука снижается восприимчивость

слуха к слабым звукам. Эта способность называется адаптацией (приспособлением)

слуха.

Тембр звука

Негармоническое периодическое воздействие с периодом Т равносильно

одновременному действию гармонических сил с различными частотами, а именно с

частотами, кратными наиболее низкой частоте n=1/T.

Это заключение является частным случаем общей математической теоремы,

которую доказал в 1822 г. Жан Батист Фурье. Теорема Фурье гласит: всякое

7

периодическое колебание периода Т может быть представлено в виде суммы

гармонических колебаний с периодами, равными Т, T/2, T/3, T/4 и т.д., т.е. с

частотами n=(1/T), 2n, 3n, 4n и т.д. Наиболее низкая частота n называется основной

частотой. Колебание с основной частотой n называется первой гармоникой или

основным тоном (тоном), а колебания с частотами 2n, 3n, 4n и т.д. называются

высшими гармониками или обертонами (первым - 2n, вторым - 3n и т.д.).

Каждый звук, издаваемый различными музыкальными инструментами, голосами

различных людей и т.п., имеет свои характерные особенности - своеобразную

окраску или оттенок. Эти особенности звука называют тембром. На рис. 1.5

показаны осциллограммы звуковых колебаний, создаваемых роялем и кларнетом

для одной и той же ноты. Осциллограммы показывают, что период у обоих

колебаний одинаков, но они сильно отличаются друг от друга по своей форме и,

следовательно, различаются своим гармоническим составом. Оба звука состоят из

одних и тех же тонов, но в каждом из них эти тоны - основной и его обертоны -

представлены с разными амплитудами и фазами.

Рис. 1.5. Осциллограммы звуков рояля и кларнета.

Для нашего уха существенны только  частоты и амплитуды тонов, входящих в состав

звука, т.е. тембр звука определяется его гармоническим спектром. Сдвиги

отдельных тонов по времени никак не воспринимаются на слух, хотя и могут очень

сильно менять форму результирующего колебания.

На рис. 1.6 изображены спектры тех звуков, осциллограммы которых показаны на

рис. 1.5. Так как высоты звуков одинаковы, то и частоты тонов - основного и

обертонов - одни и те же. Однако амплитуды отдельных гармоник в каждом спектре

сильно различаются.

8

Рис. 1.6. Спектры звуков рояля и кларнета.

9

Основные свойства слуха

Нелинейность слуха

Для нормального среднестатистического органа слуха человека существуют

некоторые предельные (пороговые) минимальные значения физических параметров

звукового поля, при которых еще существует слуховое ощущение. Таким порогом

слышимости являются стандартизованная интенсивность звука I0=10...12 Вт/м2

(близкая к порогу слышимости при f=1000 Гц в тишине), а также соответствующие ей

звуковое давление p0=2*10-5 Па и плотность звуковой энергии 03*10-15 Дж/м3. Порог

слышимости является частнозависимым. Выше порога слышимости расположена

область слышимости. На рис. 2.1 показана кривая порога слышимости. Там же

показан и верхний порог слышимости, выше которого может наступить разрушение

органа слуха - болевой порог, которому соответствует давление pmax=150...200 Па,

что превосходит величину p0=2*10-5 Па в 107 раз.

Рис. 2.1. Кривые, ограничивающие область слышимости

Для более удобного оперирования столь значительными абсолютными величинами,

но в большей степени потому, что слуховое ощущение раздражающей силы

звукового сигнала пропорционально ее логарифму (согласно закону Вебера-

Фехнера), чаще используются величины, называемые уровнем интенсивности звука

(LI), уровнем ощущения (E), уровнем звукового давления (LP), уровнем плотности

звуковой энергии (LE), которые также пропорциональны логарифму относительного

значения параметра (I/I0), (p/p0), (/0) и измеряются в децибелах:

10

   (2.1)

   (2.2)

   (2.3)

Одинаковые относительные изменения раздражающей силы вызывают одинаковые

приращения слухового ощущения. Эта особенность слуха также измерена: порог

заметности изменения интенсивности (I) чистых тонов на высоких и средних

уровнях ощущения Е составляет от 0,2 до 0,6 дБ, на низких уровнях ощущения он

доходит до нескольких децибел, а среднее значение I/I около 1 дБ. Таким образом,

между порогом слышимости и болевым порогом слух различает несколько сотен

ступеней изменения слухового ощущения.

Амплитудная разрешающая способность слуха по ощущению изменений

интенсивности звука имеет еще и частотную зависимость: она наиболее высока на

средних, заметно меньше на высоких и еще меньше на низких частотах.

Установлено, что уровень громкости неточно характеризует субъективное слуховое

ощущение. Для преодоления этого было введено понятие уровня громкости (LG). За

уровень громкости LG данного звука принимается уровень интенсивности

равногромкого с ним чистого тона с частотой 1000 Гц. Единица измерения LG - фон.

При бинауральном слушании (т.е. обоими ушами) чистых тонов для определения

уровня громкости пользуются семейством изофон, т.е. кривыми равной громкости

(рис. 2.2).

11

Рис. 2.2. Кривые равной громкости синусоидальных звуков.

Иногда графики изофон вызывают некоторые трудности восприятия их сущности.

Для упрощения понимания представлен более доступный график (рис. 2.3),

характеризующий чувствительность слуха при различных уровнях громкости.

Единицей измерения громкости принят 1 сон, соответствующий громкости тона с

уровнем LG = 40 фон.

Рис. 2.3. Частотные характеристики чувствительности слуха при различных уровнях громкости.

В таблице 2.1 приведены измеренные величины уровня громкости LG и громкости G

для некоторых источников звука и градация громкости в музыкальных программах.

Таблица 2.1.

Источник звука LG, фон G, сон

Улица с интенсивным движением и трамваем 75...80 11.40...17.10

Шумная улица без трамвая 60...75 4.35...11.40

Обычный средний шум на улице 55...60 3.08...4.35

Комната шумная 40...50 0.98...2.20

Комната тихая 25...30 0.20...0.36

Разговор трех человек в комнате 45...50 1.50...2.20

12

Оркестр 80...100 17.10...88.00

Зал при массовых сценах 75...90 11.40...59.00

Аплодисменты 60...75 4.35...11.40

Исполнение соло в студии 40...50 0.98...2.20

Форте фортиссимо 100 88.00

Фортиссимо 90 38.00

Форте 80 17.10

Меццо-форте 70 7.95

Меццо пиано 60 4.35

Пиано 50 2.20

Пианиссимо 40 0.98

Пиано пианиссимо 30 0.36

Порог слухового ощущения 0 0

Слуховой аппарат человека не способен абсолютно линейно ощущать воздействия

звуков в значительном диапазоне интенсивностей. Нелинейность слуха проявляется

в том, что при воздействии громких тонов с уровнем интенсивности более 40 дБ,

например с частотой f1, в слуховом аппарате образуются гармоники этого тона с

частотами 2f1, 3f1, 4f1 и т.д. При уровне интенсивности звука менее 40 дБ

субъективные гармоники не образуются. Оптимальным уровнем, при котором

заметность и порядковый номер гармоники относительно невелики, можно считать

80...90 дБ. Особенно диссонансны 7-я и 9-я гармоники. 2-я субъективная гармоники

почти в 5 раз превосходит 3-ю. Этот факт иногда является основой для

утверждения, что SE-усилители, в которых обычно преобладает уже объективная 2-я

гармоника, более импонируют слуху, нежели РР-усилители, где доминирует 3-я

объективная гармоника, к которой слух более чем в 1,5...2,0 раза чувствительнее.

Термин "импонирует" следует понимать в том смысле, что слух не может отделить

объективно привнесенные гармоники от собственных субъективных того же 2-го

порядка, а потому их восприятие не вызывает дискомфорта. Попыткой

воспользоваться этим свойством слуха явилось создание РР-усилителей со

специально увеличенной 2-й гармоникой, что достигалось разбалансом драйверного

каскада.

Чтобы снизить субъективные нелинейные искажения, следует не увлекаться

чрезмерно громким звучанием, применять все компоненты аудиосистемы с

достаточно линейными амплитудными характеристиками, применять компоненты как

можно более широкополосные, особенно в сторону низких частот.

13

Разрешающая способность

Хорошо известно, что частотный диапазон слуха простирается от 16 до 20000 Гц.

Слуховая память позволяет удерживать до нескольких сотен градаций частоты. Их

число уменьшается с понижением интенсивности звука. Поэтому среднее число

градаций не более 150. Устройство органа слуха часто уподобляют цепочке

резонаторов, настроенных на определенные полосы частот. Такая модель

показывает хорошее приближение к устройству и результатам действия реальной

слуховой улитки, в которой расположена базилярная мембрана, содержащая свыше

20000 осязающих волокон, которые передают возбуждающее воздействие через

нервные окончания в слуховой центр мозга, где и происходит обработка полученных

сигналов, вследствие чего слушатель воспринимает (субъективно) образовавшийся

слуховой образ. Если слуховая память уже содержит предваряющую эмпирическую

информацию о подобном или близком слуховом образе, то мозг идентифицирует ее

как знакомую, идентичную или тождественную.

Частотную разрешающую способность слуха обеспечивают полосы пропускания,

образованные специфическим устройством органа слуха. Их называют критическими

полосками, иногда - частотными группами. Всего таких полосок 24. Поэтому

считается, что слух как бы превращает широкополосный звук со сплошным спектром

частот в дискретный, т.е. состоящий из конечного числа составляющих,

соответствующих включенным в работу числу критических полосок. Ранее было

отмечено, что разрешающая способность слуха по амплитуде составляет несколько

сот ступеней ощущения.

Таким образом, совокупная разрешающая способность слуха по амплитуде и

частоте в пределах области слышимости, ограниченной снизу порогом слышимости,

а сверху - болевым порогом, составляет около 22000 элементарных градаций

звуковых ощущений. Своего рода четкость звукового изображения. Заметим для

справки, что число градаций зрительных ощущений составляет около 600000.

Как было отмечено, орган слуха имеет 24 критические полоски, определяющие

дискретную избирательность слуха и его разрешающую способность по частоте.

если среднее число ощущаемых градаций по частоте около 150, то максимальное

может доходить до 620 при высокой интенсивности звука.

При уровне звукового давления LP=70дБ на частотах менее 500 Гц слышны

отклонения частоты тона на 1,8 Гц; выше же 500 Гц слышны отклонения порядка

0,35% от частоты тона. Частота тона является параметром раздражения органа

14

слуха. Субъективным параметром ощущения частоты тона является высота тона. До

частот 500 - 1000 Гц изменения частоты тона (раздражение) и высоты тона

(ощущение) описывается логарифмическим законом, выше частоты 500 - 1000 Гц

связь раздражения и ощущения все более отличается от логарифмической

зависимости (рис. 2.4). За единицу высоты тона как параметра ощущения выбран

"мел". Тон частотой 131 Гц (нота "до" малой октавы) имеет высоту тона z=131 мел.

Более крупной величиной измерения высоты тона принят "барк": 1 барк = 100 мел.

Рис. 2.4. Высота тона и шкала частотных групп (критических полосок) в зависимости от частоты.

Из рис. 2.4 следует, что между высотой тона и 24 критическими полосками (правая

шкала) существует тесная связь. Увеличению частоты на одну критическую полоску

соответствует возрастание высоты тона на один барк.

Звуковое раздражение передается на базилярную мембрану, имеющую длину 32

мм. Вдоль мембраны в кортиевом органе располагаются связующие волокна по 3500

в каждом. Раздражение тоном определенной частоты вызывает возбуждение

некоторых волокон. При малых уровнях воздействия число возбуждаемых волокон

меньше, при больших - больше. При изменении частоты тона изменяется

локализация максимального возбуждения на базилярной мембране. На рис. 2.5

показано соотношение и расположение различных шкал относительно

протяженности базилярной мембраны.

1. Основная (базилярная) мембрана, мм 2. Число осязающих волокон в ряду, шт 3. Число допустимых градаций высоты тона, шт 4. Частота, Гц 5. Высота тона, мел 6. Высота тона, барк (число и нумерация критических полосок).

15

Рис. 2.5. Естественные шкалы основной (базилярной) мембраны

На рис. 2.6 показана зависимость уровня возбуждения LЕ на базилярной мембране

при воздействии узкополосного шума со средней частотой 1 кГц и уровнем LШ. Из

рис. 2.6 следует, что сигнал другой частоты, обеспечивающий на несколько децибел

меньший уровень возбуждения базилярной мембраны, не будет услышан. Это

явление называется Эффектом маскировки. Причем низкие тоны сильнее маскируют

высокие, нежели наоборот. Громкие высокие тоны не маскируют низкие тоны даже

малого уровня. Высокий тон, который при малой громкости отчетливо слышен

одновременно с низким тоном, может оказаться полностью замаскирован низким

тоном, если громкость увеличена чрезмерно. При LШ=100 дБ почти все критические

полоски выше восьмой "загружены" маскирующим сигналом, для преодоления

эффекта воздействия которого на волокна базилярной мембраны потребуется такой

уровень, который не свойственен натуральным звукам в высокочастотной области.

На рис. 2.6 показано действие шума со средней частотой 1 кГц, что не равнозначно

музыкальной программе, но тенденции и эффекты маскировки сохраняются при

любых типах сигналов.

16

Рис. 2.6. Зависимость уровня возбуждения LЕ на базилярной мембране от уровня шума LШ со средней

частотой 1 кГц.

Это вторая причина (после увеличения субъективных гармоник), по которой громкие

звуки не обязательно сопровождаются качественным звуком.

Из рис. 2.6 следует также, что два звука маскируют друг друга тем сильнее, чем

ближе их основные частоты, например, в случае взятия одинаковых нот на разных

инструментах. Слух различает в этом случае каждый инструмент раздельно лишь по

признакам характерной окраски звука каждого инструмента (тембру), хранящимся в

долговременной памяти слушателя.

Различия в тембрах определяются преимущественно низко- и среднечастотными

составляющими звучаний инструментов. Большое разнообразие и богатство

тембров связано с сигналами, лежащими в нижней части частотного диапазона, тем

более, что в музыке основные тоны выше 1 кГц используются редко.

Бинауральный эффект

Наличие у человека двух ушей, разнесенных друг от друга на расстояние порядка 21

см, позволяет определять направления на источники звука, их удаленность,

размеры. В обычных условиях слух способен определять угловое перемещение

источника звука в горизонтальной плоскости с точностью около 3...4 градусов. При

неподвижном источнике звука слух способен определить направление на него не

точнее 12 градусов, а по вертикали - 17...20 градусов.

Такие локационные способности слуха называют бинауральным эффектом и

объясняют неодновременностью достижения звуковыми волнами каждого уха,

неодинаковым уровнем звуковых давлений в слуховых проходах, особенностями

тембров знакомых источников звуков и их изменений.

17

На самых низких частотах, ниже 300 Гц, бинауральный эффект практически

отсутствует и ухо не фиксирует направление звука. На частотах от 300 до 1000 Гц

становится заметным сдвиг фаз звуковых волн, попадающих в правое и левое ухо.

Мозг мгновенно вычисляет, какому направлению может соответствовать эта

разность, и таким образом определяет, откуда идет звук. На частотах более 1000 Гц

сдвиг фаз становится очень небольшим (длина волны уменьшается) и поиск

направления осуществляется за счет сравнения силы звука, приходящего с разных

сторон.

Рис. 2.7. Акустическая система для создания эффекта интегральной локализации (локализации суммы).

На рис. 2.7 показаны два одинаковых громкоговорителя (АС) 1 и 2, расположенные

на расстоянии 2L один от другого. На расстоянии Х от базы АС на оси симметрии

расположен слушатель, уши которого находятся на расстоянии r1 и r2 от

соответствующих АС.

Если на обе АС подать одинаковый сигнал, то звук от каждой АС достигнет ушей

одновременно: правого от АС1, а левого - от АС2. Идентичность звуков не позволит

слуху разделить их в пространстве на левый и правый. Так создается слуховая

иллюзия: визуальный (кажущийся) источник звука как бы находится в середине базы

- между АС.

Если уменьшить громкость АС1, то это будет воспринято слухом как перемещение

КИЗ в сторону АС2 и наоборот. Таким образом, варьируя громкость звучания левой и

правой АС, можно вызывать и поддерживать иллюзию перемещения виртуального

источника звука (КИЗ). Это явление называют интегральной локализацией (или

локализацией суммы).

18

Рис. 2.8. Зависимость локализации от: а) разных уровней звуковой энергии сигналов в каналах; б) от

временного сдвига сигналов в каналах.

Аналогичную иллюзию перемещения КИЗ можно получить, создавая запаздывание

звука в одной из АС. При этом виртуальный источник звука перемещается в сторону

АС, излучающей звук с опережением по времени >1,1 мс. На рис. 2.8 показаны

зависимости локализации КИЗ соответственно от разности уровней и временного

сдвига сигналов в каналах. Оба эти эффекта широко используются при записи

музыки.

Рис. 2.9. Влияние запаздывающего повторения сигнала на локализацию виртуального источника звука.

При одинаковых уровнях основного и задержанного сигналов виртуальный источник

звука ощущается на месте физически существующего источника, излучающего

опережающий сигнал. Источник звука, излучающий задержанный сигнал, не

ощущается вовсе, но его присутствие проявляется в виде повышения общей

гулкости звучания. При задержках одного из сигналов на время более 50 мс наличие

запаздывающего сигнала ощущается как помеха в виде эха, хотя положение КИЗ

остается неизменным. Отсюда следует, что опережающий сигнал при одинаковом

уровне с задержанным полностью подавляет (маскирует) последний. Повышая

уровень запаздывающего сигнала, можно добиться того, что оба источника звука

будут восприниматься раздельно даже при запаздывании менее 50 мс. На рис. 2.9

показано необходимое превышение уровня (L) запаздывающего сигнала в

зависимости от временной задержки. При = 15...20 мс уровень задержанного

19

сигнала должен быть повышен на 11 дБ, чтобы оба источника звука воспринимались

раздельно. При < 50 мс для этого эффекта достаточно превышение уровня всего

на 6 дБ. При = 65 мс запаздывающий сигнал ощущается как эхо. При < 5 мс

наблюдается неустойчивый режим: виртуальный источник звука как бы

перепрыгивает из одной АС в другую, совпадая то с источником опережающего, то с

источником задержанного сигнала.

Если источники звука резко различаются по тембру, это может привести к

раздельному ощущению двух звуковых объектов даже при равных уровнях

интенсивности обоих сигналов.

20

Запись звука

Общие сведения о записи

Под процессом записи понимают преобразование сигналов в пространственное

изменение состояния или формы некоторого физического тела (носителя записи) с

целью сохранения в нем информации для последующего ее извлечения

(получения). Информацию, сохраняемую в носителе записи, называют записью.

Носитель записи, содержащий информацию, полученную в процессе записи,

называют фонограммой.

За столетие, прошедшее с момента возникновения первых идей записи звука, были

предложены десятки способов записи. Одними из них являются: механический

(грамзапись), фотографический, магнитный, лазерный и т.д.

Процесс механической записи состоит из нескольких этапов. первичную запись

ведут на диск из аморфной меди или на дюралюминиевый диск, покрытый лаковым

слоем (так называемый лаковый диск). Записывающий элемент - острие резца

рекордера перемещается механизмом в радиальном направлении - от края к центру

- и вырезает в меди или лаковом слое спиральную канавку. Помимо поступательного

перемещения в радиальном направлении резец в соответствии с записываемым

сигналом совершает колебания в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В

результате изменяются ширина и глубина канавки. С медного или лакового диска

гальваническим путем снимают копию, в которой углублениям канавки

соответствуют выступающие борозды. Эта копия используется как матрица при

прессовании или штамповке пластмассовых грампластинок. Сигналы, записанные на

грампластинках, воспроизводят с помощью электропроигрывающего устройства

(ЭПУ).

В качестве носителя записи при фотографической записи используют

светочувствительный носитель - прозрачную пластмассовую основу в виде ленты,

покрытую светочувствительным слоем. Фонограмма образуется в результате

фотографического процесса. Под воздействием записываемого сигнала изменяется

световой поток, попадающий на движущийся носитель. Киноленту проявляют,

промывают, закрепляют, сушат. С полученного негатива снимают позитивную копию

и повторяют перечисленные фотохимические процессы. В результате  образуется

21

фотографическая фонограмма. Сигнал отображается на киноленте в виде

прозрачной полоски переменной ширины или переменной плотности (прозрачности).

Чтобы воспроизвести записанный сигнал, движущуюся фонограмму просвечивают

пучком света.

Магнитную запись на движущийся ферромагнитный носитель производят с помощью

особого электромагнита - магнитной головки - в обмотку которого подают ток

сигнала. Магнитное поле электромагнита намагничивает носитель записи, в

качестве которого используют пластмассовую ленту, покрытую порошком окислов

ферромагнитных металлов или металлическим ферромагнитным слоем.

Фонограмма получается в виде намагниченных участков разной длины. Она не

нуждается ни в каких процессах обработки и может быть воспроизведена

немедленно с помощью устройства, аналогичного записывающему.

Комбинацией механического и оптического способов записи является запись

лазерным лучом на компакт-диски. Запись ведут модулированным лучом лазера на

вращающийся диск. Под его воздействием в материале первичного носителя

образуются углубления - лунки - разной длины. Далее как и при механической

записи, получают матрицу. Прессованием получают копии первичной записи. Для

воспроизведения также используют луч лазера.

Магнитооптическая запись (или запись на MiniDisk) - это гибрид магнитной и

лазерной записи. В ней для записи используется и лазерный луч, и магнитная

головка. Главная технология формата MD заложена в самом носителе, специальный

магнитный слой которого обладает одним очень полезным, хотя и немного странным

свойством. Если этот слой намагничен отрицательным полюсом магнита, то

отражающийся от его поверхности лазерный луч немного отклонится в одну сторону.

Если этот слой намагничен положительным полюсом, то он отклоняет луч в другую

сторону. И хотя отклонения составляют всего лишь около одного градуса, этого

достаточно, чтобы их уловил считывающий сенсор и зарегистрировал в виде нулей и

единиц цифрового сигнала.

Микрофоны. Классификация и основные параметры

Микрофон - это устройство для преобразования акустических колебаний воздушной

среды в электрические сигналы.

В настоящее время существуют различные типы микрофонов, которые находят

широкое применение в системах радиовещания, телевидения, телефонии,

22

озвучения, звукоусиления, записи и усиления звука. Микрофон является первым и

одним из наиболее важных звеньев любого электроакустического тракта. Поэтому

его свойства оказывают огромное влияние на качество работы этого тракта.

Микрофоны в зависимости от назначения подразделяют на профессиональные и

бытовые (любительские). Первые из них используют при профессиональной

звукозаписи в радиовещании, телевидении, системах звукоусиления, для

акустических измерений и т.д. Бытовые микрофоны используют при домашней

звукозаписи.

По способу преобразования колебаний микрофоны подразделяют на

электродинамические (ленточные и катушечные), электростатические

(конденсаторные и электретные), электромагнитные, угольные и др.; по диапазону

воспринимаемых частот - на узкополосные (речевые) и широкополосные

(музыкальные); по направленности - на ненаправленные (круговые),

двусторонненаправленные (восьмеричные или косинусоидальные),

односторонненаправленные (кардиоидные, суперкардиоидные, гиперкардиоидные),

остронаправленные; по помехозащищенности - на шумозащищенные и обычного

исполнения.

По электроакустическим параметрам микрофоны разделяют на четыре группы

сложности: нулевая (высшая), первая, вторая и третья. Микрофоны нулевой, первой

и второй групп сложности предназначены для звукопередачи, звукозаписи и

звукоусиления музыки и речи, микрофоны третьей группы сложности - только для

речи. Кроме того, по некоторым параметрам микрофоны подразделяются на

устройства высшей и первой категории качества.

Основные параметры микрофонов: номинальный диапазон частот, модуль полного

электрического сопротивления, чувствительность, типовая частотная характеристика

чувствительности, характеристика направленности ...

Номинальный диапазон частот - тот диапазон частот, в котором микрофон

воспринимает акустические колебания и в котором нормируются его параметры. для

профессиональных студийных целей обычно стремятся использовать микрофоны

нулевой группы сложности высшей категории качества, для которых нормируется

диапазон частот 20 ... 20000 Гц. Микрофоны первой группы сложности должны иметь

номинальный диапазон частот не менее 31,5 ... 18000 Гц, второй группы 50 ... 15000

Гц, третьей группы 63 ... 12500 Гц.

23

Модуль полного электрического сопротивления (называемого также выходным

или внутренним) нормируется на частоте 1 кГц. Сопротивление может быть

комплексным или активным. Если оно комплексное и, следовательно, зависимое от

частоты, то приводят или модуль на частоте 1 кГц, или среднее значение по

диапазону частот. Для микрофонов нулевой и первой групп сложности нормируется

значение модуля полного электрического сопротивления 50 Ом и менее, 100 и 200

Ом, а для микрофонов второй и третьей групп сложности также еще и 2 кОм.

Чувствительность микрофона - это отношение напряжения U на выходе

микрофона к воздействующему на него звуковому давлению р, выраженное в

милливольтах на паскаль (мВ/Па): E=U/p.

Уровень чувствительности - чувствительность, выраженная в децибелах

относительно величины Енач = 1 В/Па и определяемая по формуле:

Nм = 20 lgE - 60, дБ,    (3.1)

где Е - чувствительность микрофона, мВ/Па.

Неравномерность частотной характеристики определяется как разность между

максимальным и минимальным уровнями чувствительности микрофона в

номинальном диапазоне частот и выражается в децибелах:

N = NMAX - NMIN.    (3.2)

Характеристика направленности R( - зависимость чувствительности микрофона

в свободном поле на определенной частоте f от угла между рабочей осью

микрофона и направлением на источник звука

Диаграмма направленности - это графическое изображение характеристики

направленности, которое чаще всего приводят в полярных координатах.

В качестве примера на рис. 3.1 приведены три наиболее часто встречающиеся

диаграммы направленности микрофонов: а - круговая, б - кардиоидная, в -

косинусоидальная.

24

Рис. 3.1. Типовые диаграммы направленности микрофонов

Устройство и принцип действия микрофонов

Любой микрофон состоит из двух систем: акустико-механической и

механоэлектрической.

Свойства акустико-механической системы сильно зависят от того, воздействует ли

звуковое давление на одну сторону диафрагмы (микрофон давления) или на обе

стороны, а во втором случае от того, симметрично ли это воздействие (микрофон

градиента давления) или на одну из сторон диафрагмы действуют колебания,

непосредственно возбуждающие ее, а на вторую - прошедшие через какое-либо

механическое или акустическое сопротивление или систему задержки времени

(асимметричный микрофон градиента давления).

Большое влияние на характеристики микрофона оказывает его

механоэлектрическая часть.

Первым получил распространение угольный микрофон, который и до сих пор

используют в телефонии. Действие его основывается на изменении сопротивления

между зернами угольного порошка при изменении давления на их совокупность.

25

Рис. 3.2 Устройство микрофонов: а - угольного; б - электромагнитного; в - электродинамического; г -

ленточного; д - конденсаторного; е - пьезоэлектрического

Угольный микрофон (рис. 3.2, а) работает следующим образом. При воздействии

звукового давления на его диафрагму 1 она начинает колебаться. В такт этим

колебаниям изменяется и сила сжатия зерен угольного порошка 2, в связи с чем

изменяется сопротивление между электродами 3 и 4, а при постоянном

электрическом напряжении изменяется и ток через микрофон. Если, скажем,

включить микрофон к первичной обмотке трансформатора Т, то на зажимах его

вторичной обмотки будет возникать переменное напряжение, форма кривой

которого будет отображать форму кривой звукового давления, воздействующего на

диафрагму микрофона. Основное преимущество угольного микрофона - высокая

чувствительность, позволяющая использовать его без усилителей. Недостатки -

нестабильность работы и шум из-за того, что полезный электрический сигнал

вырабатывается при разрыве и восстановлении контактов между отдельными

зернами порошка, большая неравномерность частотной характеристики и

значительные нелинейные искажения.

После угольного микрофона появился электромагнитный микрофон, который

работает следующим образом (рис. 3.2, б). Перед полюсами (полюсными

наконечниками) 2 магнита 3 располагают ферромагнитную диафрагму 1 или

скрепленный с ней якорь. При колебаниях диафрагмы под воздействием на нее

звукового давления меняется магнитное сопротивление системы, а значит, и

магнитный поток через витки обмотки, намотанной на магнитопровод этой системы.

Благодаря этому на зажимах обмотки возникает переменное напряжение звуковой

частоты, являющееся выходным сигналом микрофона.

Электромагнитный микрофон стабилен в работе. Однако ему свойственны узкий

26

частотный диапазон, большая неравномерность частотной характеристики и

значительные нелинейные искажения.

В противоположность электромагнитному микрофону чрезвычайно широкое

распространение для целей озвучения, звукоусиления получил

электродинамический микрофон в своих двух модификациях - катушечной и

ленточной.

Принцип действия электродинамического катушечного микрофона состоит в

следующем (рис. 3.2, в). В кольцевом зазоре 1 магнитной системы, имеющей

постоянный магнит 2, находится подвижная катушка 3, скрепленная с диафрагмой 4.

При воздействии на последнюю звукового давления она вместе с подвижной

катушкой начинает колебаться. В силу этого в витках катушки, перерезывающих

магнитные силовые линии, возникает напряжение, являющееся выходным сигналом

микрофона. Электродинамический микрофон стабилен, имеет довольно широкий

частотный диапазон, сравнительно небольшую неравномерность частотной

характеристики.

Устройство ленточного электродинамического микрофона несколько отличается

от устройства катушечной модификации (рис. 3.2, г). Здесь магнитная система

микрофона состоит из постоянного магнита 1 и полюсных наконечников 2, между

которыми натянута легкая, обычно алюминиевая, тонкая (порядка 2 мкм) ленточка 3.

При воздействии на обе ее стороны звукового давления возникает сила, под

действием которой ленточка начинает колебаться, пересекая при этом магнитные

силовые линии, вследствие чего на ее концах развивается напряжение. Т.к.

сопротивление ленточки очень мало, то для уменьшения падения напряжения на

соединительных проводниках напряжение, развиваемое на концах ленточки

подается на первичную обмотку повышающего трансформатора, размещенного

непосредственно вблизи ленточки. Напряжение на зажимах вторичной обмотки

трансформатора является выходным напряжением микрофона. Частотный

диапазон этого микрофона довольно широк, а неравномерность частотной

характеристики невелика.

Для электроакустических трактов высокого качества наибольшее распространение в

настоящее время получил конденсаторный микрофон. Принципиально он

работает следующим образом (рис. 3.2, д). Жестко натянутая мембрана 1 под

воздействием звукового давления может колебаться относительно неподвижного

электрода 2, являясь вместе с ним обкладками электрического конденсатора. Этот

27

конденсатор включается в электрическую цепь последовательно с источником

постоянного тока Е и активным нагрузочным сопротивлением R. При колебаниях

мембраны емкость конденсатора меняется с частотой воздействующего на

мембрану звукового давления, в связи с чем в электрической цепи появляется

переменный ток той же частоты и на нагрузочном сопротивлении возникает падение

напряжения, являющееся выходным сигналом микрофона.

Нагрузочное сопротивление должно быть большим, чтобы падение напряжения на

нем не уменьшалось сильно на низких частотах, где емкостное сопротивление

конденсатора очень велико и эксплуатация такого микрофона была бы невозможна

из-за сравнительно небольшого сопротивления микрофонных линий и нагрузки. По

этой причине почти у всех современных конденсаторных микрофонов

предусмотрены конструктивно связанные с самим микрофоном усилители, имеющие

малый коэффициент усиления (порядка 1), высокое входное и низкое выходное

сопротивления. Конденсаторные микрофоны имеют самые высокие качественные

показатели: широкий частотный диапазон, малую неравномерность частотной

характеристики, низкие нелинейные и переходные искажения, высокую

чувствительность и низкий уровень шумов.

Электретные микрофоны, по существу, те же конденсаторные, но постоянное

напряжение для них обеспечивается не обычным источником, а электрическим

зарядом мембраны или неподвижного электрода, материалы которых отличаются

тем, что способны сохранять этот заряд длительное время.

Некоторое распространение получили микрофоны пьезоэлектрические (рис. 3.2, е).

Их действие основано на том, что звуковое давление воздействует непосредственно

или через диафрагму 1 и скрепленный с ней стержень 2 на пьезоэлектрический

элемент 3. При деформации последнего на его обкладках вследствие

пьезоэлектрического эффекта возникает напряжение, являющееся выходным

сигналом микрофона.

Действие транзисторных микрофонов (весьма мало распространенных)

основывается на том, что под действием звукового давления на диафрагму и

скрепленное с ней острие, являющееся одновременно эмиттером

полупроводникового триода, изменяется сопротивление эмиттерного перехода

через него. Хотя транзисторные микрофоны с диафрагмой достаточно

чувствительны, но они недостаточно стабильны и их частотные характеристики даже

в сравнительно узком диапазоне частот неравномерны.

28

Стереофонический микрофон представляет собой систему из двух микрофонов,

конструктивно размещенных в общем корпусе на одной оси друг над другом. Для

записи по системе XY применяют стереофонические микрофоны, состоящие из двух

одинаковых монофонических микрофонов с кардиоидными характеристиками

направленности, причем акустические оси левого и правого микрофонов повернуты

на 90° относительно друг друга (рис. 3.3, а). При записи по системе MS один из

микрофонов (микрофон середины) имеет круговую характеристику направленности,

а другой (микрофон стороны) - косинусоидальную характеристику направленности

(рис. 3.3, б).

Рис. 3.2. Характеристики направленности стереофонических микрофонов

Радиомикрофон представляет собой систему, состоящую из микрофона,

переносного малогабаритного передатчика и стационарного приемника. Микрофон

чаще всего используют динамический катушечный или электретный. Передатчик

либо совмещают в одном корпусе с микрофоном, либо выполняют карманного типа.

Он излучает энергию радиочастот в УКВ диапазоне на одной из фиксированных

частот. Вследствие влияния дополнительных преобразований в системе "передатчик

- эфир - приемник" качественные параметры радиомикрофона уступают параметрам

обычного микрофона.

Для приема речи в условиях окружающего шума применяют ларингофоны. Эти

приборы воспринимают механические колебания гортани, возникающие при

речеобразовании. Для этого ларингофоны (обычно пара) прижимаются к шее в

области гортани. По принципу преобразования ранее применялись угольные

ларингофоны, а в настоящее время - электромагнитные. Отличие их от

соответствующих микрофонов в том, что в них нет диафрагм, на которые

воздействует звуковое давление, а подвижный элемент вследствие инерции

перемещается относительно корпуса колеблющегося в такт с колебанием гортани, к

которой он прилегает.

29

Основы механической звукозаписи

Механическая звукозапись основана на вырезании (или выдавливании) в материале

носителя записи канавки с помощью записывающего устройства - рекордера. При

воспроизведении по канавке движется игла воспроизводящего устройства -

звукоснимателя.

В процессе развития механической записи были предложены два основных способа

модуляции канавки: поперечный, при котором резец колеблется влево-вправо от

нейтрального положения и канавка постоянной ширины приобретает извивы (рис.

3.4, а),и глубинный, при котором резец смещается вверх-вниз от нейтрального

положения, вырезая канавку переменной глубины и ширины (рис. 3.4, б).

Рис. 3.4. Вид модулированной канавки при  поперечной  (а) и глубинной (б) записи.

Все предварительные операции по записи и монтажу фонограммы ведут с помощью

магнитной записи. Окончательно смонтированную магнитную фонограмму переводят

в механическую на станке механической записи (рис. 3.5). Он имеет массивный диск

(планшайбу) 1, вращаемый двигателем 2. Рекордер 4 с помощью механизма 3

перемещается в радиальном направлении. Носитель записи 5 (медный или лаковый

диск) прочно закрепляется на планшайбе. Алмазный резец рекордера постепенно

перемещается в радиальном направлении от края диска к центру. В отсутствие

сигнала получается канавка без извилин, немодулированная.

Рис. 3.5. Схема станка механической записи.

При подаче на рекордер сигнала резец начинает колебаться и вырезать канавку

сложной формы. Такую канавку называют модулированной.

30

После окончания записи на поверхность лакового диска наносят слой серебра,

служащий далее токопроводом при электрохимическом процессе нанесения слоя

никеля. Слой никеля достигает 0,3 ... 0,4 мм. Полученную копию (первый оригинал)

осторожно отделяют от лакового диска. С первого оригинала снова

электрохимическим (гальваническим) способом изготовляют несколько (до десяти)

новых копий (вторых оригиналов). После отделения второго оригинала его

прослушивают, как обычную грампластинку. Обнаруженные дефекты устраняют

гравировкой, контролируя эту работу под микроскопом. Со вторых оригиналов

снимают третьи оригиналы толщиной примерно 0,25 мм, для уменьшения износа

матрицы покрывают слоем хрома (правда качество фонограммы при этом

ухудшается) и используют в качестве матриц при прессовании пластинок. Одной

матрицей без существенного ухудшения качества прессуют до тысячи пластинок.

Материалом пластинок служит винилит - сополимер винилхлорида с 15%

винилацетата с небольшой добавкой размягчающих и окрашивающих веществ.

Особенности записи стереосигналов

Как уже упоминалось выше, в процессе развития механической звукозаписи были

предложены два способа модуляции канавки: поперечный и глубинный. (см. рис.

3.4). Комбинацию этих двух способов используют для двухканальной

стереофонической записи. Однако управлять движением резца в горизонтальном и

вертикальном направлениях непосредственно сигналами левого и правого каналов

нецелесообразно ввиду некоторого различия свойств записываемых фонограмм и

трудности разделения сигналов в звукоснимателе. поэтому оба направления

смещения резца поворачивают на 45° и сигналы каждого канала записывают

одновременным перемещением резца в горизонтальном и вертикальном

направлениях. Тогда движение иглы, воспроизводящей сигнал одного канала,

происходит по направлению слева сверху - вправо вниз (и в обратном направлении),

другого канала - справа сверху - влево вниз (и в обратном направлении). Итак, чтобы

получить двухканальную стереофоническую фонограмму резцу сообщают

перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях, причем оба они

находятся под углом 45° к поверхности носителя, как показано на рис. 3.6. Поскольку

угол раскрытия стенок канавки равен 90°, на каждой стенке канавки записывают

один сигнал: на внешней (ближе к краю пластинки) сигнал правого канала, на

внутренней (обращенной к центру пластинки) сигнал левого канала.

Стандартизована и фазировка сигналов в каналах. Выходные напряжения

звукоснимателя находятся в фазе, если игла подается вверх для левого канала и

31

вниз для правого (или наоборот). Этот порядок принят по следующим

соображениям. При вращении диска возникают вертикальные перемещения иглы,

обусловленные короблением пластинки и биениями диска из-за неточной насадки на

ось (плоскость диска не перпендикулярна оси). Если бы сигнал одного канала был

записан способом поперечной записи, а другого - способом глубинной записи, то

помеха, обусловленная вертикальными перемещениями иглы, воспроизводилась бы

только в одном канале. Смещением направлений записи на 45° достигается

противофазное и примерно одинаковое по амплитуде распределение напряжения

этих помех по обоим каналам. В результате звучание помехи не локализуется, что

уменьшает ее заметность.

Рис. 3.6. Образование канавки стереофонической фонограммы.

При синфазных сигналах равной амплитуды (монофоническая запись) игла

перемещается только в горизонтальной плоскости. Поэтому при объединении

сигналов обоих каналов с целью монофонической записи слуховое восприятие

помех еще более ослабляется.

При квадрофонической записи на каждой стенке канавки записывается спектром

звуковых частот сигнал переднего канала, а на поднесущей частоте спектр сигнала

заднего канала. Полный спектр записи при этом простирается до 40 ... 45 кГц.

Основы фотографической звукозаписи

Фотографическая запись основана на воздействии светового потока на

светочувствительный слой носителя записи - киноленты (рис. 3.7, а). Электрический

сигнал от микрофона М через усилитель записи УЗ поступает на модулятор света

МС. Промодулированный световой поток образует на светочувствительном слое

негативной ленты НЛ узкий пишущий штрих переменной ширины или переменной

интенсивности. После фотохимической обработки и копирования образуется

позитивная фонограмма ПФ. При воспроизведении источник света - читающая

лампа ЧЛ - с помощью оптической системы О создает в плоскости позитивной

32

фонограммы узкий читающий штрих. Промодулированный фонограммой световой

поток попадает на фотоэлемент ФЭ.

Рис. 3.7. Схема фотографической записи звука (а) и получаемые оптические фонограммы переменной

ширины (б) и переменной плотности (в).

Различают фонограмму переменной ширины (рис. 3.7, б) и переменной плотности

(рис. 3.7, в). В первом случае ширина фонограммы меняется, а прозрачность

остается постоянной, во втором - при неизменной ширине фонограммы меняется ее

прозрачность. Преимущество способа переменной плотности - более широкая

полоса частот, т.к. он менее критичен к точности установки пишущего штриха. Но

при записи способом переменной плотности требуется тщательный подбор режима

проявления, при отступлении от него увеличиваются нелинейные искажения. Кроме

того, отдача фонограммы переменной плотности меньше отдачи фонограммы

переменной ширины. По указанным причинам в подавляющем большинстве случаев

используют фонограмму переменной ширины. В зависимости от конструкции

модулятора света фонограмма получается односторонней (рис. 3.7, б),

двусторонней (симметричной) и даже с несколькими одинаковыми дорожками.

Ширину пишущего штриха выбирают равной примерно 5 мкм, что позволяет

уменьшить нелинейные искажения записи и получить освещенность пишущего

штриха порядка 106 лк. Это облегчает процесс записи. Ширину читающего штриха

берут больше, примерно 20 мкм, чтобы увеличить световой поток, падающий на

фонограмму, и соответственно увеличить фототок.

В качестве модулятора света используют преобразователи электромеханического

типа, электроскопического типа и электронно-лучевого типа.

Основы магнитной аналоговой записи

Магнитная звукозапись основана на свойстве ферромагнитных материалов

намагничиваться под воздействием магнитного поля и сохранять остаточное

намагничивание по выходе из этого поля. По мере надобности полученную

фонограмму можно стереть переменным магнитным полем.

33

Поле магнитной головки намагничивает ленту и преобразует временные изменения

сигнала в пространственные изменения остаточной намагниченности ленты.

Полученная таким образом невидимая запись представляет собой совокупность

большого числа магнитиков, имеющих различную длину и напряженность поля.

Лента имеет тонкую гибкую основу из лавсана, полиэфирных смол,

поливинилхлорида или из других полимерных материалов; наиболее широко

используется основа из полиэфирной смолы; толщина стандартных лент составляет

около 50 мкм. Основа ленты покрывается порошком из магнитного окисла,

состоящим из мельчайших частичек игольчатой формы. В настоящее время

известны три типа лент. Первый - -окисел железа (Fe2O3). Второй - двуокись хрома

(CrO2). Третий - металлический (Me). Независимо от типа окислы должны наноситься

на материал основы при строго определенных условиях, позволяющих получить

однородный слой толщиной около 4 мкм.

Рис. 3.8. Магнитная лента в размагниченном состоянии. Домены имеют случайную полярность.

Как на ленте фиксируется сигнал и почему он не исчезает?

Магнитный слой, как уже упоминалось, изготавливается из магнитотвердого

ферромагнитного материала. В любом ферромагнетике содержатся элементарные

"магнитики" - домены. Даже атом с одним электроном, вращающимся с некоторой

скоростью вокруг ядра, является элементарным магнитом, так как движущийся заряд

электрона создает кольцевой ток, имеющий свое собственное магнитное поле.

Отдельно взятые магнитные поля атомов очень слабы, но в домене все

элементарные магнитные поля атомов складываются и образуют магнитное поле

домена. Если ферромагнетик не намагничен, то магнитные поля отдельных доменов

ориентированы хаотично по отношению друг к другу, и результирующее магнитное

поле равно нулю. Если же этот ферромагнетик поместить во внешнее магнитное

поле, например, в виде сердечника в катушку индуктивности, то под воздействием

этого поля магнитные поля доменов сориентируются в одном направлении. При

этом к внешнему полю добавляются собственные поля доменов, и общее поле резко

возрастает. Ферромагнетики характеризуются коэффициентом относительной

магнитной проницаемости, показывающим, во сколько раз возрастает магнитная

индукция в веществе по сравнению с внешним пространством. Относительная

магнитная проницаемость может доходить у ферромагнетиков до нескольких

десятков тысяч. Во столько же раз возрастает и магнитное поле в сердечнике. для 34

изготовления сердечников магнитной головки используются магнитомягкие

ферромагнетики. При снятии внешнего магнитного поля у таких материалов

индукция исчезает. Магнитотвердые же ферромагнетики сохраняю некоторую

намагниченность и после полного снятия внешнего магнитного поля. Рассмотрим,

как происходит процесс намагничивания магнитотвердых материалов.

Рис. 3.9. Петля гистерезиса.

На рис. 3.9 по горизонтали отложена напряженность внешнего магнитного поля Н.

Она пропорциональна, например, силе тока в обмотке записывающей головки. По

вертикали отложена магнитная индукция в магнитном материале. Начнем

увеличивать ток в обмотке головки. На начальном участке кривой магнитная

индукция в материале нарастает медленно, затем появляется участок быстрого

роста индукции и, наконец, участок насыщения, когда при дальнейшем росте

внешнего поля индукция не увеличивается. предельная величина индукции

магнитного слоя называется индукцией насыщения Внас. Кривая называется

основной кривой намагниченности. Теперь начнем уменьшать ток в обмотке головки.

Домены в магнитном слое продолжают сохранять ориентацию, и магнитная индукция

материала не уменьшается до нуля при обращении напряженности внешнего

магнитного поля в нуль. Величина магнитной индукции при нулевом внешнем поле

называется остаточной магнитной индукцией. Чем она больше, тем сильнее будет

притягивать металлические предметы магнит, сделанный из этого материала, тем

большим может быть уровень записи на магнитной ленте из этого же материала.

Чтобы размагнитить материал слоя, надо подать в обмотку ток противоположного

направления. Напряженность поля, при которой индукция В обратится в нуль

называется коэрцитивной силой. Чем больше коэрцитивная сила, тем труднее

размагнитить материал, тем меньше по размеру соседние домены с

противоположной намагниченностью сохраняют ее. Увеличив затем ток в обмотке (в

обратном направлении), намагнитим материал, но "наоборот". Периодически

перемагничивая материал, получаем некоторую замкнутую кривую, называемую

35

петлей гистерезиса. Чем больше площадь петли, тем большую работу на

перемагничивание надо затратить.

Как производится запись сигналов?

Непосредственно записать сигнал звуковых частот, подав его на выводы обмотки

головки, конечно можно, но при этом качество записи будет совершенно

неудовлетворительным. Для объяснения этого обратимся к основной кривой

намагниченности (рис. 3.10). Она показана для намагничивания в обоих

направлениях. Поскольку начальный участок кривой пологий, то намагничивание

ленты при слабых сигналах происходит плохо. Искажения сигнала при этом будут

недопустимо велики. Современный метод записи, применяющийся в аналоговых

магнитофонах, использует линеаризацию кривой намагниченности с помощью

высокочастотного сигнала подмагничивания. При записи в обмотку головки наряду

со звуковым подается высокочастотный сигнал, имеющий значительно больший

уровень, чем звуковой. Высокочастотное магнитное поле, вызываемое этим

сигналом, как бы раскачивает домены ферромагнетика, разрушая жесткие связи

между ними и облегчая намагничивание ленты. Напряжение подмагничивания

обеспечивает запись сигналов с использованием наиболее линейных участков

основной кривой намагниченности. Так как напряжение подмагничивания успевает

перемагнитить ленту несколько раз за время прохода мимо зазора головки, то эти

колебания практически не остаются в записи.

Рис. 3.10. Процесс магнитной записи: запись без подмагничивания (а); запись с высококачественным

подмагничиванием (б). 

Общие сведения о цифровой записи

Принцип, на котором базируется способ передачи звуковых сигналов в цифровой

форме, состоит в том, что полное воспроизведение любого сигнала на стороне

36

приема возможно и в том случае, когда передается не весь сигнал, а лишь

периодически выделяемые из него отсчеты. В отличие от аналогового цифровой

сигнал, искаженный помехами, можно восстановить (регенерировать) полностью.

Для этого достаточно принять решение о наличии ("1") или отсутствии ("0") сигнала.

Длительность цифрового сигнала при передаче выбирается строго определенной, и

при приеме возможно полное устранение временных искажений.

Основные преимущества цифровой записи:

возможность получения сколь угодно большого динамического диапазона и сколь угодно малых искажений;

отсутствие детонации звука; возможность многократного копирования фонограмм без ухудшения качества; отсутствие модуляционных шумов; отсутствие искажений АЧХ при любых уровнях сигнала в пределах динамического и

частотного диапазонов.

Цифровая система звукозаписи требует представления входного аналогового

сигнала в цифровом виде, а выходного цифрового сигнала - в аналоговом. Для

преобразований используют аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП)

преобразователи. Обобщенная структурная схема системы цифровой

звукопередачи показана на рис. 3.11. Аналоговый сигнал источника подается на

фильтр, ограничивающий его частотную полосу. Затем из аналогового сигнала с

помощью схемы выборки-хранения выделяются отсчеты, т.е. производится

квантование сигнала во времени. Далее сигнал поступает на АЦП, который

преобразует амплитуду каждого отсчета в закодированные числа. Они и

представляют собой цифровые сигналы, дискретные во времени и по величине. Для

защиты от возможных ошибок, а также для согласования с параметрами канала

передачи цифровой сигнал, как правило, перекодируется путем введения

контрольных символов. На приемной стороне с помощью ЦАП вырабатывается

сигнал, амплитуда которого в каждый момент времени соответствует амплитуде

отсчета на стороне передачи. Наконец сигнал подается на фильтр НЧ, который

позволяет восстановить непрерывный во времени (аналоговый) сигнал.

37

Рис. 3.11. Обобщенная структурная схема цифровой системы звукопередачи.

Для того чтобы осуществить дискретизацию аналогового сигнала, его частотная

полоса должна быть ограничена фильтром НЧ. Необходимо также, чтобы фронты

характеристики пропускания фильтра были по возможности более крутыми. Лишь

при этом условии сигнал может удовлетворить требованиям теоремы отсчетов,

которая гласит: сигнал, спектр частот которого занимает область от -В0  до +В0 

(низкочастотный сигнал), может быть полностью представлен своими дискретными

отсчетами с интервалом ТА, если ТА>=1/В0. Другими словами, частота дискретизации

fA=1/ТА должна быть как минимум вдвое больше максимальной частоты аналогового

сигнала fmax, т.е. fA>=2fmax. Если это условие не выполняется, то спектры

дискретизации взаимно перекрываются и адекватно восстановить исходный

аналоговый сигнал невозможно.

Дискретизацией непрерывного во времени сигнала xA(t) называется процесс взятия

отсчетов во временных точках t=nT. Результатом дискретизации является

дискретный во времени выходной сигнал xD(t)=xA(nT), представляющий собой

последовательность отсчетов x(n). Демодуляция дискретизованного сигнала

позволяет полностью восстановить информацию, содержащуюся в исходном

сигнале.

Взятие отсчетов реализуется с помощью схемы выборки-хранения, в которой за

период выборки ТА происходит заряд конденсатора напряжением входного сигнала.

При этом потенциал заряда соответствует мгновенному значению напряжения

38

сигнала. Напряжения на конденсаторе сохраняется неизменным в течение

некоторого отрезка времени, называемого временем хранения.

Рис. 3.12. Характеристики квантования: а) линейная; б) нелинейная.

Квантование сигнала можно описать графически с помощью характеристики

квантования, где по горизонтальной оси отложены значения непрерывного сигнала,

а по вертикальной - значения квантового сигнала (рис. 3.12). Шаг квантования

определяется числом разрядов АЦП. Квантование с постоянным шагом называется

равномерным или линейным. Иногда применяется нелинейное квантование. Оно

позволяет обеспечить достаточно большой динамический диапазон при снижении

разрядности АЦП. При этом характеристика квантования имеет вид кривой, близкой

к логарифмической. Число уровней квантования n и число двоичных разрядов АЦП

определяют динамический диапазон преобразования. Динамический диапазон (в дБ)

от числа разрядов АЦП или ЦАП определяется выражением D=6n+1,8, где n - число

двоичных разрядов.

Основы магнитной цифровой записи.

Существует два формата цифровой записи на магнитную ленту:

- продольно-строчная запись ("stationary head digital audio tape" , S-DAT), в которой

используются неподвижные магнитные головки;

- наклонно-строчная запись ("rotary head digital audo tape", R-DAT), которая

реализуется с помощью вращающихся магнитных головок.

Одно из главных достоинств техники записи вращающимися головками -

возможность достижения большей плотности по сравнению с продольной

многодорожечной записью и следовательно большую продолжительность записи (2

часа против 90 минут). Именно поэтому R-DAT магнитофоны получили большее

распространение как в профессиональной, так и в бытовой аппаратуре.

Наклонная дорожка R-DAT магнитофона содержит пять основных зон,

предназначенных для записи основных, дополнительных данных и служебных

сигналов (рис. 3.13).

39

Рис. 3.13. Расположение дорожек на ленте в системе R-DAT.

Зона, где производится запись цифрового звукового сигнала двух стереоканалов

вместе с проверочными данными системы коррекции ошибок, расположена в центре

дорожки (зона ИКМ). С обоих краев этой зоны располагаются зоны записи сигналов

системы автопоиска дорожек (автотрекинга). С помощью этих сигналов

определяется смещение головки относительно дорожки записи и обеспечивается

точное слежение головки за "своей" дорожкой. Далее с обоих краев дорожки также

расположены две зоны, предназначенные для записи дополнительных данных -

субкода, обеспечивающего сервисные функции магнитофона. Сигналы автотрекинга

отделены от зон субкода и ИКМ-сигнала специальными зонами, где записывается

сигнал стирания, который не несет информации, но необходим для заполнения

межзонных промежутков. Так как в R-DAT магнитофоне нет стирающей головки, то

старая запись стирается путем перезаписи новым сигналом.

Основы лазерной звукозаписи на компакт-диск

Компакт-диск - это коммерческое название звукозаписи, разработанной совместно

фирмами Philips и Sony в конце 70-х годов, причем фирма Philips разработала

функциональные принципы и аппаратурные средства, а фирма Sony - способы

преобразования сигналов и соответствующую микросхемотехнику.

Носителем первичной записи служит стеклянный полированный диск, на который

нанесен слой лака толщиной 0,12 ... 0,15 мкм, чувствительного к действию света.

Запись производят лазерным лучом. Растворитель удаляет лак с участков,

подвергшихся действию света. На лаковом слое образуются углубления (питы)

40

длиной несколько микрометров и глубиной примерно 0,12 мкм. Ширина углублений -

примерно 0,5 мкм.

Рис. 3.13. Рабочий слой DVD (а) и CD (б) при большом увеличении.

Процесс получения копий напоминает процесс изготовления грампластинок. На

лаковую поверхность диска наносят химическим путем или напылением в вакууме

слой серебра, затем электропроводящую поверхность покрывают слоем никеля.

Многократным копированием получают матрицы, которыми прессуют компакт-диски

из разжиженного поликарбоната. Диаметр компакт-дисков - 120 мм, толщина - 1,2

мм. На диск наносят отражающий слой алюминия толщиной порядка 0,01 мкм и для

защиты от царапин и грязи покрывают его прозрачным лаковым слоем толщиной 5 ...

10 мкм.

В проигрывателе отраженный от поверхности диска модулированный луч лазера

попадает на фотодиод, который преобразует поток света в последовательный поток

цифровых сигналов. В нем же содержатся и тактовые сигналы. Из потока данных

тактовые сигналы отделяются, и кодированные сигналы канала преобразуются в

информационные данные, контрольные, управляющие и индикаторные символы.

Декодер управляющих и индикаторных символов вырабатывает сигналы для

регулирования частоты оборотов двигателя привода диска, фокусировки луча

лазера и слежения за положением пятна луча на дорожке записи и для поиска

нужного фрагмента сигналограммы. В помехоустойчивом декодере с помощью

контрольного  бита обнаруживаются и исправляются ошибки потока данных. Затем

после отделения демультиплексором поток звукоданных подается на ЦАП, который

восстанавливает исходные стереофонические сигналы левого и правого каналов.

Конструкция DVD (Digital Versatile Disk - Цифровой Универсальный Диск) имеет

структуру, аналогичную структуре диска CD. Поликарбонатная подложка с канавками

покрыта информационным слоем красителя, отражающим слоем и защитным слоем.

При рассмотрении горизонтального среза становится заметной одна важная

особенность: шаг дорожек составляет всего 0,8 мкм, тогда как у CD он вдвое

длиннее (1,6 мкм) (рис. 3.14). С этим связана более высокая емкость DVD.

41

Информационный слой в наибольшей степени влияет на рабочие характеристики

диска. Большая емкость диска потребовала меньшей длины волны лазерного луча.

Если информационный слой обычного диска CD изготавливается с таким расчетом,

чтобы максимум отражения приходился на диапазон длин волн от 770 до 800 нм, в

DVD используется красный лазер, работающий на длине волны 630 - 635 нм.

SACD (Super Audio Compact-Disk)

За прошедшие примерно 15 лет со времени появления оптических дисков

технология в этой и смежной областях шагнула далеко вперед. Это дало

возможность сделать новый скачек в индустрии звукозаписи и

звуковоспроизведения. Для компаний, которые изобрели компакт-диск, - корпораций

"Philips" и "Sony" - стало очевидным, что дальнейшее простое увеличение

разрядности преобразователей хотя и дает улучшение качества, однако не спасает

от некоторых изначально свойственных цифровым устройствам недостатков. Эти же

компании предложили принципиально новую технологию аналого-цифрового

преобразователя - DSD (Direct Stream Digital). Главным преимуществом нового

формата является отсутствие интерполяции сигнала, а значит и связанных с этим

ошибок преобразования. В отличие от технологии PCM (Pulse Code Modulation)

каждая выборка сигнала кодируется не 16 битами (20, 24 битами), а 1 битом, но

частота выборок составляет 2,8224 МГц. Если 16-разрядному PCM-коду весьма

затруднительно "на глаз" сделать какие-либо заключения о записанном сигнале, то

по 1-разрядному DSD-коду, как по аналоговой глубине бороздки на виниловом диске,

можно вполне его увидеть. В каком-то смысле эта в корне новая технология аналого-

цифрового преобразования возвращает нас на более высоком (естественно в

диалектическом смысле) уровне к тем самым старым, добрым виниловым

пластинкам.

42

Рис. 3.15. Сравнение PCM и DSD.

Исключив фильтры, необходимые при записи и воспроизведении обычного CD,

технология прямого цифрового потока записывает оригинальный одноразрядный

студийный сигнал прямо на поверхность диска. Частотная характеристика от 0 до

100 кГц и динамическая характеристика 120 дБ во всем диапазоне слышимых частот

позволяет получить запись такой глубины, четкости и чистоты, какие считались

недостижимыми ни в одном из форматов записи. Частота дискретизации 2,8224 МГц

гарантирует невероятно точную запись без той гранулированной структуры, которая

присутствует на самых лучших CD. Технология DSD-преобразования реализуется в

предложенном корпорациями "Sony" и "Philips" Super Audio Compact Disk - SACD.

Диск Super Audio имеет такие же размеры, как обычный CD, но SACD - это диск

высокой плотности, который в целях обеспечения максимальной гибкости и

совместимости может выпускаться в трех возможных модификациях. Стандартный

SACD имеет один слой высокой плотности (HD), предназначенный для потрясающей

записи в формате DSD. Диск SACD может также быть двухслойным с двумя слоями

HD или гибридным, когда один слой используется как SACD, а второй как обычный

CD, так что вопрос о совместимости даже не возникает. Вы можете воспроизводить

свои старые CD на новом проигрывателе для SACD или новые гибридные SACD на

старом проигрывателе CD. Благодаря разработанной "Sony" технологии Super Bit

Mapping Direct (SBM Direct) для преобразования потока данных DSD и записи его в

стандарте CD, такой диск даже на обычном CD-проигрывателе будет звучать более

естественно.

43

Рис. 3.16. Гибридный супераудиокомпакт-диск.

Рис. 3.17. Конструкция гибридного диска

Рис. 3.18. Считывание сигнала с гибридного диска.

Основы магнитооптической записи

Запись на MD (MiniDisk) ведется с помощью магнитной головки и лазерного луча на

специальный магнитооптический слой. Его изготавливают из тербия, феррита и

кобальта, что позволяет производить необходимое перемагничивание при записи и

перезаписи, затрачивая примерно втрое меньше энергии, чем требуется для других

подобных систем. Последнее обстоятельство вкупе со специальной системой

44

магнитной головки делает возможной запись при аккумуляторном питании, а также

предохраняет диск от нежелательного повышения температуры.

При взаимодействии лазерного излучения и намагниченного материала возникает

магнитооптический эффект Керра. Поляризация лазерного луча изменяется в

зависимости от его попадания на "плюсовой" или "минусовой" участок

магнитооптического слоя, оставленный магнитной головкой. Если просто провести

магнитом по мини-диску, то с магнитным слоем ничего не произойдет, поскольку его

свойства меняются только при нагревании до температуры Кюри. Температура

Кюри - это температура, при которой исчезает намагниченность определенного

материала. Для мини-дисков она составляет 180° Цельсия. Для записи музыки MD-

рекордер фокусирует луч лазера на поверхности диска, нагревая на магнитном слое

крошечную точку. Затем магнитная головка, похожая на головку дисковода

компьютера, записывает "узор" из единиц и нулей цифрового сигнала на

поверхности этого слоя. После того как точка остынет, информация фиксируется до

тех пор, пока вы не начнете записывать снова (рис. 3.19).

Рис. 3.19. Принципиальная схема процесса записи на мини-диск

ATRAC (адаптивное трансформирующее кодирование звукового сигнала). Так

называется разработанная для формата MiniDisk система сжатия цифровой

информации, которая позволяет на каждом мини-диске "разместить" столько же

музыки, сколько на CD (74 минуты стереоаудиозаписи), используя при этом только

пятую часть той же информации. В противном случае каждый MD "вмещал" бы

только 15 минут звуковой информации. Работа системы ATRAC основана на так

45

называемом маскирующем эффекте. Этот психоакустический феномен связан с

неспособностью нашего слуха различать громкие и тихие звуки на соседствующих

частотах, а также с зависимостью слуховой чувствительности от частоты звука.

Разговор на улице, тонущий в грохоте транспортного потока, - вот повседневный

пример маскирующего эффекта. Цель ATRAC - свести к минимуму шум

переквантования, неизбежный "побочный продукт" оцифровывания аналогового

сигнала. Во время записи шум переквантования "прячется" в записываемых

частотах на музыкально насыщенных участках. В течение некоторого периода

времени ATRAC анализирует музыкальный сигнал и определяет, какая его часть

находится в наиболее воспринимаемом слухом диапазоне - среднечастотном. Эта

часть записывается точнее всего, а менее важные - "низшие" и "высшие" частоты -

регистрируются с меньшей точностью. Длительность этого периода зависит от того,

быстро или медленно меняется характер музыкального звучания. Воспроизведение

происходит в обратном порядке.

46

Воспроизведение звука

Общие сведения

Электроакустические системы, применяемые в звуковом и телевизионном вещании,

кинематографе, предназначены для передачи звука из первичного помещения

(концертный зал, аппаратно-студийный комплекс, тонателье и т.п.) во

вторичное (жилая комната радиослушателя и телезрителя, кинозал). Это

совокупность устройств, необходимых для формирования, передачи и

воспроизведения звуковых сигналов в своей естественной форме. Общие

требования, предъявляемые к электроакустическим звуковым системам, могут быть

сформулированы следующим образом. Они должны обеспечивать:

более полную передачу всего комплекса ощущений, свойственных естественному слушанию: пространственного впечатления, прозрачности и раздельности звучания, естественности звучаний тембров музыкальных инструментов и голосов, музыкального равновесия (баланса) отдельных элементов сложного звукового образа, окружающей акустической обстановки и т.д.;

широкие возможности для творческой фантазии звукорежиссера; создание звуковых эффектов, осуществление которых затруднено или даже невозможно в

условиях естественного слушания (концертный зал).

Даже при идеальных параметрах качества электроакустического тракта воссоздать

во вторичном помещении все структурные особенности первичного звукового поля

невозможно.

Громкоговорители. Классификация и основные параметры

Громкоговоритель и телефон - это устройства для преобразования электрических

колебаний в звуковые, акустические колебания воздушной среды. Поскольку

громкоговорители и телефоны являются последними звеньями любого

радиовещательного (звуковоспроизводящего) тракта или линии связи, то их

свойства оказывают решающее влияние на качество работы в целом.

Акустическая система - устройство для эффективного излучения звука в

окружающее пространство в воздушной среде, содержащее одну или несколько

головок громкоговорителей, необходимое акустическое оформление, необходимые

электрические устройства (фильтры, трансформаторы, регуляторы и т.п.).

47

По способу преобразования громкоговорители и телефоны подразделяются на

электромагнитные (в основном телефоны), электродинамические катушечные,

изодинамические, электростатические, пьезоэлектрические и некоторые другие. По

виду излучения звука громкоговорители подразделяют на громкоговорители

непосредственного излучения (диффузорные, куполообразные, ленточные) и

рупорные. Различают громкоговорители по потребляемой электрической мощности

(мощные, маломощные), а также и по чувствительности.

Громкоговорители характеризуются большим числом параметров, основные из

которых приведены ниже.

Номинальное электрическое сопротивление - заданное в нормативно-

технической документации активное сопротивление громкоговорителя при

определении подводимой к нему электрической мощности.

Номинальная мощность - заданная электрическая мощность, при которой

нелинейные искажения громкоговорителя не должны превышать требуемые.

Частотная характеристика по звуковому давлению - графическая или численная

зависимость от частоты уровня звукового давления, развиваемого

громкоговорителем в определенной точке свободного поля, находящейся на

определенном расстоянии от рабочего центра, при постоянном значении

напряжения на выводах громкоговорителя.

Характеристическая чувствительность - среднее звуковое давление,

развиваемое громкоговорителем в заданном диапазоне частот на рабочей оси,

приведенное к расстоянию 1м от рабочего центра и проводимой электрической

мощности 1 Вт.

Неравномерность частотной характеристики звукового давления - разность

максимального и минимального значений уровней звукового давления (отношение

максимального звукового давления к минимальному, выраженное в децибелах) в

заданном диапазоне частот.

Диаграмма направленности - графическая зависимость в условиях свободного

поля уровня звукового давления для данных частоты (полосы частот) и расстояния

от рабочего центра громкоговорителя от угла между рабочей осью громкоговорителя

и направлением в точку измерения.

48

Приведенный коэффициент полезного действия - отношение акустической

мощности, излучаемой громкоговорителем на данной частоте (полосе частот), к

подводимой электрической мощности.

Собственная резонансная частота головки - частота, при которой значение

модуля полного электрического сопротивления имеет свой первый максимум.

СИСТЕМНАЯ МОДЕЛЬ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ

Громкоговоритель представляет собой сложный электромеханоакустический

преобразователь, в котором происходят линейное и нелинейное преобразование

сигнала U(t), подводимого в виде напряжения от усилителя в распределенное в

пространстве звуковое давление. Если входной сигнал представляет собой аналог

реального музыкального или речевого сигнала, он имеет сложную временную

нестационарную структуру (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Вид входного сигнала

Основная задача при проектировании акустических устройств, в которые входят

громкоговорители, состоит в том, чтобы обеспечить неискаженную передачу

временной структуры входного сигнала (технически реализуемой является задача

передачи временной структуры сигнала с искажениями ниже порогов слышимости).

Именно это условие выдвигает требования к неискаженной передаче частотного и

динамического диапазона сигнала, а отсюда к уровню линейных и нелинейных

искажений в громкоговорителях.

Рис. 4.2. Системная модель громкоговорителя

Функционально громкоговоритель может быть представлен в виде системной

модели (рис. 4.2), состоящей из:

49

электромагнитного преобразователя - «магнитная цепь + звуковая катушка», преобразовывающего подводимое напряжение U(t) в переменный ток I(t) и в электромеханическую силу F(t);

механического преобразователя - «подвижная система громкоговорителя», осуществляющего линейное и нелинейное преобразование силы F(t) в распределенное по поверхности механическое смещение u*;

акустического преобразователя - «излучающая диафрагма + воздушная среда», преобразовывающего смещения u* в распределенное в пространстве звуковое давление p(R, t).

Все эти подсистемы оказывают как прямое, так и обратное влияние друг на друга.

Рис. 4.3. Амплитудная характеристика громкоговорителя.

Работу громкоговорителя можно проиллюстрировать с помощью графика (рис. 4.3).

Он показывает, как диффузор громкоговорителя отклоняется от условной средней

линии положения покоя. Из графика видно, что чем больше ток, тем дальше

отклоняется диффузор, а токам разного направления соответствует отклонение в

разные стороны (вперед-назад). Приведенный график называют амплитудной

характеристикой. Появление загибов на графике объясняется достаточно просто -

ток не может беспредельно отклонять диффузор. Диффузор закреплен достаточно

прочно, и амплитуда его отклонений ограничена. До тех пор пока громкоговоритель

работает на линейном участке и отклонение прямо пропорционально току,

преобразование "ток - звук" происходит без нелинейных искажений.

Громкоговоритель не может одинаково хорошо преобразовать в звук переменные

токи разных частот (рис. 4.4).

50

Рис. 4.4. Частотная характеристика громкоговорителя.

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ

Наиболее распространенная конструкция обычной электродинамической головки

показана на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Внешний вид и устройство головки громкоговорителя.

В кольцевом воздушном зазоре магнитной цепи, состоящей из постоянного магнита

6, верхнего и нижнего фланцев, керна 8, составляющих магнитопровод, в

радиальном направлении проходит постоянный магнитный поток. В этом зазоре

центрирована так называемая звуковая катушка 9, к которой с помощью особо

гибких проводников приложено переменное напряжение звуковой частоты. Звуковая

катушка обычно имеет четное число слоев обмотки, чтобы ее начало и конец были с

одной стороны. Ток, проходя через катушку, взаимодействует с постоянным

магнитным потоком и создает электродинамическую силу, приводящую в колебания

катушку и скрепленную с ней диафрагму (диффузор) 2. Диффузор представляет

собой конус, имеющий в основании окружность или эллипс и прямую или

криволинейную образующую. По верхнему краю диффузор имеет гофрированный

верхний подвес 3. Назначение верхнего подвеса - обеспечить диффузору

возможность колебаться поршнеобразно в широком диапазоне частот и увеличить

диапазон линейной зависимости сигнала - смещение диффузора. У своей вершины

диффузор, а вместе с ним и звуковая катушка удерживаются с помощью

центрирующей шайбы 4. Эта шайба также гофрированная, охватывает по

внутреннему контуру вершину диффузора в месте прикрепления каркаса звуковой

катушки, а по внешнему - крепится к специальному кольцу или полке, выполненной

на диффузородержателе 5. Последний является основой конструкции

громкоговорителя. Диффузородержатель имеет окна, назначение которых - 51

исключить возникновение стоячих волн с тыльной стороны диффузора. Вершина

конуса диффузора заклеена противопылевым колпачком 1, который может

изготавляться как из акустически прозрачного материала, так и из акустически

непрозрачного, жесткого. В последнем случае такой колпачек выполняет также

функцию дополнительного излучателя для высоких частот и с целью исключения

появления под ним при больших амплитудах колебаний диффузора, в каркасе

звуковой катушки делают антикомпрессионные отверстия. Для более эффективного

отвода тепла от звуковой катушки мощные головки громкоговорителей снабжаются

радиатором 7. такой радиатор выполняет функцию экрана, уменьшающего

магнитный поток рассеяния, и защитной крышки, предохраняющей хрупкий

постоянный магнит от случайных повреждений.

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕКИЕ

Работа электростатического излучателя основана на взаимодействии

электростатических зарядов. Он представляет собой две перфорированные

пластины, между которыми натянута мембрана. Мембрана, как правило, выполнена

из полимера с нанесенным на него проводящим слоем. Толщина ее - 10-15 микрон,

а масса соизмерима с массой колеблющегося воздуха. Таким образом, статик

является практически безынерционным излучателем, что позволяет ему работать в

широком диапазоне частот с малыми искажениями. На пленку подается напряжение

поляризации (несколько кВ), а на пластины от усилителя через трансформатор -

звуковой сигнал. В результате взаимодействие заряда на пленке с напряжением на

пластинах заставляет пленку двигаться со звуковой частотой. Статик - биполярная

система, то есть излучает одинаковую акустическую энергию в обе стороны

относительно плоскости излучателя. Поэтому ставить его вплотную к стене нельзя -

это помешает нормальной работе, звучание будет тусклое, "сдавленное".

Оптимальное расположение от стены 70-100 см.

52

Рис. 4.6. Примерный вид статического громкоговорителя.

РУПОРНЫЕ

Довольно широкое применение для озвучения имеют рупорные громкоговорители.

Устройство электродинамического рупорного громкоговорителя отличается от

устройства диффузорного тем, что либо к диффузору примыкает рупор, назначение

которого в данном  случае - служить концентратором и, следовательно, увеличивать

звуковое давление на оси рупора, либо со звуковой катушкой скрепляют диафрагму

обычно куполообразной формы, а по переферии - гофрированный подвес.

Диафрагма через акустическую камеру, представляющую собой объем воздуха с

входным сечением, равным поверхности диафрагмы Sд , своим выходным сечением

примыкает к горлу рупора площадью S0 . Эта камера играет роль акустического

трансформатора с коэффициентом трансформации  S0/Sд, согласующего

механическое сопротивление подвижной системы громкоговорителя с входным

механическим сопротивлением рупора, являющимся, по существу, сопротивлением

нагрузки. Поскольку конструктор имеет возможность изменять коэффициент

трансформации в широких пределах, то можно выбрать такой режим нагрузки

подвижной системы, при котором будут достигнуты выгодные условия передачи

энергии колебаний рупору.

53

Рис. 4.7. Внешний вид рупорного громкоговорителя.

Специализация головок

Частотная специализация головок явилась вынужденной мерой в ответ на желание

получить приемлемые характеристики АС (направленность, КПД, уровень

нелинейных и линейных искажений и т.д.) в широкой полосе частот.

ВЧ ГОЛОВКИ

В качестве материала куполов головок используют различные, часто патентованные

материалы. Обычно это текстиль, полимеры, алюминий, титан. В магнитных

системах применяют как феррит, так и сплавы редкоземельных металлов (кобальт,

самарий, неодим). Экзотические сплавы используют для уменьшения габаритов

головок, что позволяет размещать их как в составе подвижной системы НЧ/СЧ

головок (коаксиально), так и вне корпуса АС. Уменьшение физических размеров

головки способствует снижению дифракционных явлений на ее конструктивных

элементах и АО. Важным отличием головок с мягким куполом (текстильным и

полимерным) является отсутствие резонансов в ультразвуковой области частот.

Диафрагмы, изготовленные из сплавов и окислов металлов, обладают выраженным

резонансом на частотах от 16 до 40 кГц. У лучших моделей он не превышает уровня

несольких децибел. Хорошего звучания от головок добиваются, применяя

оптимально рассчитанные разделительные фильтры, корректирующие цепи и

используя высококачественные пассивные компоненты (конденсаторы, катушки

индуктивности и резисторы).

СЧ ГОЛОВКИ

Производители СЧ головок применяют как купольные, так и конусные конструкции

диффузоров. Материалы - бумага (с различными типами пропиток), полимеры,

алюминий, магнезия (окись магния), кевлар, текстиль, аэрогели, керамика и т.д.

Применение высокотехнологичных материалов способствует снижению массы

подвижной системы, увеличивает жесткость диффузора, но одновременно приводит

54

к появлению собственных резонансов на верхней границе воспроизводимого

диапазона и за ее пределами. Основным типом АО для СЧ головок является

закрытый ящик. Иногда встречаются варианты фазоинвертора и открытого

оформления.

НЧ ГОЛОВКИ

Низкочастотные головки в акустическом оформлении АС являются, пожалуй, самой

спорной и сложной их составной частью. Спорной - в смысле количества мнений и

суждений о том, каким должен быть бас. Сложной - в смысле количества вариантов

возможного оформления и требований, которые предъявляются к головкам. Для

изготовления диффузоров применяют бумагу (с соответствующей пропиткой),

полимеры, сплавы алюминия, аэрогели, кевлар, графитовые композиты и т.д.

Одна из самых больших проблем НЧ головок - большое значение коэффициента

нелинейных искажений (КНИ) на нижней границе диапазона. Уровень искажений

зависит как от собственных свойств головки, так и от особенностей АО. В немалой

степени КНИ зависит и от значения максимального линейного смещения (МЛС)

подвижной системы. Произведение значения МЛС на эффективную площадь

диффузора головки (Sd) дает величину максимального объемного смещения (Vd).

Чем больше величина отношения Vd к объему АС, тем в более тяжелых условиях

приходится работать головке.

Типы акустических оформлений

Акустическое оформление - конструктивный элемент громкоговорителя,

обеспечивающий эффективное излучение звука.

ПЛОСКИЙ ЭКРАН

Диффузор громкоговорителя излучает две звуковые волны (вперед и назад), причем

сдвинутые по фазе на 180. Если обе эти волны с тем же сдвигом фаз попадут к

нашему уху, то мы вообще ничего не услышим - противофазные волны просто

скомпенсируют друг друга. В реальном случае полной компенсации не происходит

потому, что в направлении вперед громкоговоритель излучает более сильную волну.

Волна, возникающая сзади диффузора, приходит к слушателю более длинным

путем, то есть с некоторым опозданием. На высоких звуковых частотах, когда период

мал, из-за этого опоздания появляется дополнительный сдвиг фаз и противофазные

волны действуют согласованно, в фазе. На средних и особенно на низких частотах

55

опоздание составляет лишь небольшую часть периода, и заметного

дополнительного сдвига фаз не получается. Способ устранения этих недостатков

напрашивается сам собой: нужно просто искусственно увеличить опоздание задней

волны. Сделать это проще всего с помощью акустического экрана. Даже при

сравнительно небольших его размерах воспроизведение низких частот значительно

улучшается. Вместе с тем в области средних, и особенно высоких, частот экран уже

не оказывает существенного влияния. Конструктивно экран рекомендуется

выполнять в виде толстой доски или фанеры толщиной 10 ... 20 мм, в которой

вырезано отверстие по диаметру диффузородержателя громкоговорителя. В это

отверстие последний и вставляется. Экран выполняют квадратной или лучше

прямоугольной формы. Предпочтительное отношение сторон прямоугольника 2:1 ...

3:1.

ОТКРЫТЫЙ КОРПУС

Распространенный вид акустического оформления - открытый корпус. Он

представляет собой ящик, у которого задняя стенка полностью отсутствует, или же

имеет ряд сквозных отверстий. Головки устанавливаются обычно на передней

стенке ящика. Его внутренний объем, как правило, используется для размещения

деталей электрической схемы. Акустическое действие открытого оформления

подобно действию экрана. Наибольшее влияние на частотную характеристику

акустической системы с открытым оформлением оказывают передняя стенка (на

которой смонтированы головки громкоговорителей) и ее размеры. Важен не

внутренний объем оформления, а площадь передней стенки.. Размеры ее из-за

влияния боковых можно делать на 25 ... 40 % меньше размеров экрана.

Рис. 4.8. Зависимость неравномерности частотных характеристик громкоговорителя от акустических

оформлений различной формы.

Конфигурация оформления закрытого типа оказывает большое влияние на форму

частотной характеристики на средних частотах, вызывая появление многочисленных 56

пиков и провалов в случае неудачной формы. Это хорошо видно из рассмотрения

частотных характеристик (рис. 4.8) для разных конфигураций оформления:

сферического (шара), куба, усеченной пирамиды, параллепипеда. Наиболее

благоприятной формой является сфера.

ЗАКРЫТЫЙ КОРПУС

Очень большое распространение в последнее время  приобрели закрытые системы.

Преимущество их в том, что задняя поверхность диффузора не излучает, и, таким

образом, полностью отсутствует акустическое "короткое замыкание". Но закрытые

системы имеют другой недостаток. Он заключается в том, что при колебаниях

диффузора он должен превозмогать дополнительную упругость воздуха в объеме

ящика. Наличие этой дополнительной упругости приводит к тому, что повышается

резонансная частота подвижной системы громкоговорителя, в результате чего

ухудшается воспроизведение частот, лежащих ниже этой частоты. Чтобы

резонансная частота все же не была чрезмерно высокой, применяют головки

громкоговорителей с тяжелой подвижной системой. Однако следует иметь в виду,

что увеличение массы подвижной системы влечет за собой понижение

чувствительности акустической системы в целом. Конструктивно закрытые системы

надо выполнять так, чтобы отсутствовали какие-либо щели и отверстия, наличие

которых сразу же может превратить закрытую систему в открытую. Такой тип

оформления характеризуется спадом частотной характеристики АС с наклоном 12

дБ/октаву ниже граничной частоты. Полная добротность головки в закрытом корпусе

(Qts) зависит от соотношения эквивалентного объема головки и внутреннего объема

корпуса. От значения полной добротности зависит частотная и переходная

характеристики АС. Например:

при Qts = 0.5 переходная характеристика носит апериодический характер (не имеет выбросов), а частотная характеристика на резонансной частоте АС имеет спад около 6 дБ (спад по мощности в 4 раза);

при Qts = 0.57 АС имеет линейную фазовую характеристику (аппроксимация по Бесселю) с небольшим выбросом на переходной характеристике;

при Qts <= 0.707 АЧХ носит гладкий характер, на переходной характеристике появляются колебательные процессы;

при Qts > 0.707 на АЧХ появляется максимум переходная характеристика носит колебательный характер;

при Qts = 1.1 достигается максимум КПД.

57

Рис. 4.9. Внешний вид обычной колонки.

КОРПУС С ФАЗОИНВЕРТОРОМ

Стремление получить достаточно хорошее воспроизведение низких частот при

умеренном объеме акустического оформления довольно хорошо достигается в так

называемых фазоинверсных системах. Их конструкция достаточно проста. В корпусе

закрытой системы делается щель или отверстие. В последнее может быть

вставлена трубка (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Акустическая система с фазоинвертором.

Упругость объема воздуха в оформлении резонирует на какой-то частоте с массой

воздуха в отверстии или трубке. Эта частота называется резонансной частотой

фазоинвертора. Таким образом, акустическая система в целом становится

состоящей как бы из двух резонансных систем - громкоговорителя и оформления с

отверстием. При правильно выбранном соотношении резонансных частот этих

систем воспроизведение низких частот значительно улучшается по сравнению с

закрытым оформлением такого же объема. Недостатком таких систем является

резкий спад звукового давления на частотах ниже резонансной. Несмотря на

очевидные преимущества акустических систем с фазоинвертором, очень часто такие

системы, изготовленные даже опытными людьми, не дают ожидаемых от них

результатов. Причина в том, что для получения необходимого эффекта

58

фазоинвертор должен быть правильно рассчитан и настроен. Разновидностью

фазоинвертора являются акустические системы с пассивным излучателем.

Вспомогательный низкочастотный излучатель представляет собой низкочастотную

головку громкоговорителя, лишенную магнита и звуковой катушки. Основным

достоинством фазоинвертора с пассивным излучателем является возможность

настройки его на требуемую частоту при меньших размерах корпуса путем

изменения массы пассивного излучателя. По сравнению с закрытым корпусом у

фазоинвертора больше вариантов аппроксимации частотной характеристики. В

зависимости от добротности головки Qts (и желания получить гладкую АЧХ) этих

вариантов может быть три:

аппроксимация квазитретьего порядка. Наиболее часто применяется при полной добротности головки (включая сопротивление разделительных фильтров) меньше 0,383. Частота среза АС в этом случае выше собственной резонансной частоты головки. АЧХ носит гладкий характер;

аппроксимация по Баттерворту четвертого порядка. Применяется при полной добротности головки (включая сопротивление разделительных фильтров) равной 0,383. При этом частота настройки фазоинвертора совпадает с резонансной частотой головки Fs. АЧХ носит гладкий характер.

аппроксимация по Чебышеву четвертого порядка. Применяется при полной добротности головки (включая сопротивление разделительных фильтров) больше 0,383. Частота настройки фазоинвертора ниже собственной резонансной частоты головки. АЧХ носит колебательный характер с заданной неравномерностью.

Переходная характеристика для всех случаев аппроксимации носит колебательный

характер.

Максимум КПД  достигается при значении полной добротности Qts около 0.5 и

неравномерности АЧХ  около 0.2 дБ. Как и для АО типа закрытый корпус, максимум

КПД не соответствует получению приемлемой переходной, а иногда и частотной

характеристик.

Разумеется, что говоря о "гладкой" АЧХ, имеется в виду теоретически достижимую

частотную характеристику. Влияние АО и характеристики помещения в расчетных

соотношениях обычно не учитывается. К достоинствам АО типа фазоинвертор (по

отношению к закрытому корпусу) можно отнести следующие:

при равных объемах корпуса и равных нижних граничных частотах АС с фазоинвертором имеет КПД на 3 дБ больше закрытой;

при заданных одинаковых КПД и нижней граничной частоте АС с фазоинвертором имеет меньший объем корпуса;

при заданных одинаковых КПД и объеме корпуса АС с фазоинвертором имеет в 1.26 раза более низкую граничную частоту;

при одинаковых требованиях к максимальной акустической мощности фазоинверсная система имеет меньшую величину максимального смещения диффузора (и величину объемного смещения) в области частоты настройки фазоинвертора;

при равных объемах корпуса и равных нижних граничных частотах АС с фазоинвертором имеет более легкую подвижную систему и больший коэффициент электромеханической

59

обратной связи BI (B - плотность магнитного потока в воздушном зазоре магнитной системы, I - длина провода звуковой катушки в зазоре).

КОРПУС С ЛАБИРИНТОМ

Для того чтобы избежать акустического "короткого замыкания", в свое время было

предложено акустическое оформление с лабиринтом. Один из возможных вариантов

его конструкции приведен на рис. 4.11. Изображенная акустическая система состоит

из корпуса, на передней панели которого укреплена головка. Задняя сторона

диффузора работает на образованный рядом перегородок зигзагообразный

звукопровод - лабиринт. Второй конец лабиринта заканчивается выходным

отверстием на одной из стенок корпуса. Поперечное сечение лабиринта обычно

прямоугольное или круглое. Выпрямленная длина лабиринта должна быть равной

примерно половине длины волны на низкой граничной частоте акустической

системы, благодаря чему излучения из выходного отверстия лабиринта будут

совпадать по фазе с излучением передней стороны диффузора.

Рис. 4.11. Устройство акустической системы с лабиринтом

РУПОРНЫЕ СИСТЕМЫ

Применение рупора, нагружающего подвижную систему головки громкоговорителя,

очень сильно (в десяток раз) улучшает коэффициент полезного действия последней

и, таким образом, дает возможность получить достаточную величину звукового

давления и, следовательно, громкость при сравнительно небольшой мощности

усилителя. Формой рупора, обеспечивающей наилучшее воспроизведение низких

частот, является так называемая экспоненциальная. Однако для хорошего

воспроизведения низких частот нужно иметь достаточное выходное отверстие

рупора - устья. Его диаметр должен быть не менее гр/. Отсюда для нижней

граничной частоты 100 Гц, для которой длина волны составляет 3,4 м, диаметр

устья должен составлять около 110 см. Для более низких граничных частот размеры

устья рупора будут еще больше. Насколько спорным является применение

60

рупорного оформления для воспроизведения низких частот, настолько же

оправданным является его использование в громкоговорителях, служащих для

воспроизведения средних и высоких частот, что имеет место в многочисленных

конструкциях некоторых зарубежных фирм. Особенно хорошие результаты дает

применение рупоров с сильно демпфированными стенками. Демпфирование

производится, например, незасыхающим компаундом, заливаемым между двойными

стенками рупора, изготовляемыми в этом случае из листового тонкого материала.

Рис. 4.12. Примерный вид рупорной системы.

Специализация АС

Условно все существующие АС можно разделить на двухполосные и

многополосные. Двухполосные АС имеют не менее двух головок громкоговорителей,

электрически разделенных на единственной частоте (для симметричных фильтров),

а многополосные - не менее двух частот раздела. Как двухполосные, так и

многополосные АС имеют свои достоинства и недостатки.

ДВУХПОЛОСНЫЕ АС

Положительные стороны:

удается избежать раздела частот в критической области 200 - 800 Гц; всего одна область совместного действия головок (область в районе частоты раздела, когда

головки совместно излучают сигнал одной частоты и уровнем излучения каждой нельзя пренебрегать);

обычно небольшое соотношение диаметров головок и небольшое расстояние между ними (лучшая согласованность). Соотношение диаметров головок обусловлено требованием обеспечения линейной АЧХ и приемлемой диаграммой направленности на частоте раздела. Диаметры динамических головок составляют от 19 до 38 мм. НЧ/СЧ головка подбирается из расчета получения хорошей согласованности по указанным выше параметрам. Применение низкочастотных головок большого диаметра - 200 мм и более - может привести к неравномерности АЧХ и плохой диаграмме направленности при отклонении от оси АС;

61

обычно меньшие размеры акустического оформления (легче обеспечить требуемую жесткость, уменьшить дифракционные эффекты на плоскостях и гранях корпуса, большая гибкость в выборе места и высоты установки АС).

Недостатки:

требование небольшого соотношения диаметров головок не позволяет (в общем случае) получить необходимую отдачу в низкочастотном диапазоне;

большая нагрузка на НЧ/СЧ головку в диапазоне частот настройки акустического оформления (и фазоинвертор, и закрытый ящик) может приводить к возникновению многих видов линейных и нелинейных искажений.

Выбор частоты раздела головок в двухполосной конструкции является серьезным

компромиссом. Так, сдвиг частоты раздела в сторону низкочастотного диапазона

отрицательно сказывается на режимах работы ВЧ головки. При приближении

частоты раздела к ее резонансной частоте увеличивается значение смещения

звуковой катушки. Линейная величина этого смещения обычно не превышает 0,3 мм,

поэтому в звучании головки может возникнуть определенная жесткость.

Большинство современных ВЧ головок, находящих применение в АС класса High-

End, имеют резонансные частоты, лежащие в диапазоне 500 - 1500 Гц, хотя

встречаются экземпляры, у которых этот параметр лежит в пределах от 350 Гц до 8

кГц. Смещение частоты раздела в сторону высоких частот приводит к тому, что

НЧ/СЧ головке приходится воспроизводить звуковые сигналы в очень широкой

полосе частот. Во многих АС ее частотный диапазон может перекрывать 5-6 октав.

Рис. 4.13. Примерный вид двухполосных АС.

МНОГОПОЛОСНЫЕ

Теоретически на количество полос АС ограничений нет. Чаще всего можно

встретить трех и пятиполосные конструкции. Такие системы предоставляют

большую гибкость в создании для каждой из головок оптимального режима нагрузки

по мощности и частотному диапазону. Но одновременно возникают несколько

проблем:

62

большие габариты (сложнее обеспечить достаточную для отсутствия резонансов прочность, проблемы с дифракцией);

более сложные кроссоверы; несколько областей совместного действия головок; необходимость выравнивания звукового давления головок в частотных полосах.

Рис. 4.14. Примерный вид многополосных АС

Фильтры и корректирующие цепи

Основная функция разделительных фильтров в АС - создание оптимальных условий

для работы головок в частотных полосах и устранение недостатков головок за их

пределами. Однако влияние кроссоверов на многие характеристики АС трудно

переоценить. Достаточно упомянуть, что от них зависит:

равномерность характеристик направленности в области совместного действия головок, на которую влияют ФЧХ кроссовера и физическое расстояние между головками (вывод № 1 - располагать головки возможно ближе друг к другу, вывод № 2 - располагать их в вертикальной плоскости для получения более равномерной АЧХ в горизонтальной плоскости.);

ослабление пиков и провалов на АЧХ АС; обеспечение допустимой входной электрической мощности СЧ и ВЧ головок,

ограниченной максимальным смещением подвижной системы (теоретически рекомендуется крутизна спада фильтра для ВЧ головки не менее 12 дБ/октаву), а также снижение искажений, вызываемых эффектом Доплера (при излучении колебаний звуковой частоты электроакустические преобразователи (в том числе и динамические головки) вносят в сигнал различного рода искажения, среди которых не последнее место занимают интермодуляционные. Такого рода искажения вызывают как амплитудную, так и фазочастотную модуляцию полезного сигнала. Амплитудная модуляция связана с нелинейностью механических характеристик подвижной системы и нелинейностью электромагнитных параметров. Фазочастотные искажения связывают с эффектом Доплера - изменением частоты излучения источника, движущегося с некоторой скоростью относительно неподвижного приемника колебаний (помните школьный пример с мчащимся мимо гудящим паровозом?). Применительно к динамическим головкам это явление можно объяснить тем, что в процессе излучения низкочастотных колебаний амплитуда смещения диффузора максимальна. Таким образом, его поверхность, излучающая и на более высоких частотах, приближается и удаляется от слушателя. Высокочастотные колебания оказываются промодулированы низкочастотными составляющими. Нормы на допустимый коэффициент искажений такого рода пока не приняты).

63

Рис. 4.15. Примерный вид кроссовера АС.

На практике применяются несколько видов фильтров, а иногда и их комбинации. Все

их многообразие можно условно разделить на фильтры первого и высоких порядков.

Фильтры высоких порядков, применяемые в АС, обычно являются аппроксимацией

функций Баттерворта, Бесселя, Линквица-Райли (Linkwitz-Riley). Встречаются и

оригинальные, запатентованные схемы. Существуют два лагеря конструкторов

разделительных фильтров: “крутые” и “пологие”. Апологеты фильтров первого

порядка (“пологие”) утверждают, что только такое решение дает возможность

получить хорошие переходную и импульсную характеристики. Они правы - это

единственное средство для достижения данной цели. Проблема - в протяженном

частотном участке совместной работы головок и в необходимости выравнивания их

излучения по времени. Допустим, удалось создать такую идеальную АС. Прекрасные

характеристики в безэховой камере. Но поместите ее в реальную жилую комнату со

стенами, полом, потолком, и излучаемая мощность не будет линейна по частоте.

При отклонении от оси АС с фильтрами первого порядка обладают неприятным

свойством - появляются пики в области частот раздела кроссовера. И это слышно

очень хорошо. Признаем полное превосходство фильтров первого порядка в

возможности воспроизводить малейшие нюансы фонограмм. Но, сосредоточиваясь

на звуке касания пальцев пианиста клавиш, мы можем забыть о самой музыке.

64

 Рис. 4.16. Характеристики фильтров, применяемых в АС: I - амплитудно-частотная; II - переходная; III -

группового времени задержки; IV - фазовая.

фильтры с критическим затуханием. АЧХ фильтра линейна в полосе пропускания и имеет плавный спад за ее пределами. Переходная характеристика не имеет выбросов (кривая 1);

фильтры Баттерворта. АЧХ фильтра линейна в полосе пропускания и имеет резкий спад за ее пределами. Переходная характеристика носит колебательный характер. С повышением порядка фильтра колебательные процессы возрастают (кривая 3);

65

фильтры Бесселя. АЧХ фильтра линейна в полосе пропускания и имеет относительно резкий спад за ее пределами. Переходная характеристика имеет небольшой выброс, но не содержит колебаний. Это объясняется линейной зависимостью фазового сдвига от частоты (кривая 2);

фильтры Чебышева. АЧХ фильтра имеет волнообразный характер в полосе пропускания и очень резкий спад за ее пределами. Переходная характеристика носит выраженный колебательный характер. С повышением порядка фильтра колебательные процессы возрастают (кривая 4 - неравномерность 0.5 дБ, кривая 5 - неравномерность 3 дБ);

фильтры Линквица-Райли. АЧХ фильтра линейна в полосе пропускания и имеет резкий спад за ее пределами. Отличительной особенностью фильтров данного типа является линейность АЧХ АС как на оси, так и при отклонении от нее. Именно это требование было реализовано при их разработке.

Одним из главных условий работы пассивного фильтра является постоянство

сопротивления нагрузки. Только при этом условии он способен обеспечить заданную

АЧХ и ФЧХ. Требование постоянства сопротивления нагрузки фильтра можно

объяснить очень просто - его значение входит в расчетные формулы,

определяющие АЧХ и ФЧХ. Отклонение сопротивления нагрузки фильтра от

расчетного как в полосе пропускания, так и за ее пределами приведет к

существенной неравномерности всех характеристик. К сожалению, головки

громкоговорителей не обладают линейной зависимостью импеданса от частоты. Это

связано с тем, что, помимо обладания собственным резонансом подвижной системы

на частоте Fs, головка является сложной комбинацией линейных и нелинейных (на

реальном звуковом сигнале) сопротивлений, емкостей и индуктивностей. Задача

конструктора - обеспечить согласованность работы системы фильтр - головка как в

полосе пропускания, так и в области совместного действия. Обычно для решения

этой задачи применяют цепи компенсации индуктивного характера нагрузки (для

головок всех полос) и цепи демпфирования собственного резонанса головки для СЧ

и ВЧ головок. Помимо этого, часто применяют специальные цепи, выравнивающие

импеданс АС в области частоты раздела головок. Это необходимо из-за роста

сопротивления фильтров за пределами полосы пропускания. Рост сопротивления

ФНЧ и ФВЧ фильтров приводит к формированию “горба” на входном импедансе, рис

4.17 (1). Абсолютное значение величины “горба” растет с увеличением порядка

разделительных фильтров.

66

Рис. 4.17. Импеданс (сплошная линия) и ФЧХ (пунктир) АС.

Необходимо отметить, что на практике очень сложно оценить влияние еще

нескольких параметров: выходного сопротивления усилителя (которое может

изменяться в зависимости от частоты), емкости, индуктивности и сопротивления

соединительного кабеля. В последние годы много сил и средств было потрачено на

разработку цифровых разделительных фильтров и корректоров. Это направление

чрезвычайно перспективно, так как при их создании подбираются (в алгоритмах

программного обеспечения) коэффициенты цифровых фильтров и корректоров, а не

емкости, индуктивности и резисторы. В значительной мере этот этап поддается

автоматизации. Обратной стороной является высокая стоимость

быстродействующих сигнальных процессоров (часто специализированных),

программного обеспечения, высококачественных цифро-аналоговых

преобразователей и отдельных усилителей на каждую полосу усиления. Можно

предположить, что с принятием стандарта DVD Audio работы в области цифровых

фильтров и корректоров получат новый стимул.

Конструкторы АС класса High End предоставляют хорошую возможность заработать

немалые деньги производителям кабелей, разъемов, звукопоглощающих

материалов. Также не остаются в накладе и производители пассивных компонентов

разделительных фильтров. В кроссоверах применяются конденсаторы с

полипропиленовым диэлектриком (и аналогичные им по характеристикам), катушки

индуктивности с воздушным сердечником (провод, разумеется, из бескислородной

меди), высококачественные резисторы. Стоимость каждого компонента может быть

сопоставима с ценой хорошей динамической головки. Общая стоимость кроссовера

может превышать стоимость всех головок АС. Насколько же необходимо

67

применение столь дорогих комплектующих в кроссоверах? Во-первых, качество

звучания большинства высококачественных головок напрямую зависит от качества

элементов кроссовера. Во-вторых, производитель должен быть уверен в

долговременной стабильности параметров элементов кроссовера. Разумеется, что

только создатели бескомпромиссных АС применяют очень дорогие R, L, C

комплектующие во всех цепях кроссовера. Чаще можно встретить дорогие

пассивные компоненты только в сигнальных цепях, через которые сигнал поступает

на головки. В цепях коррекции и эквализации обычно присутствуют менее дорогие

комплектующие, но тоже достаточно высокого качества. Иногда можно встретить

кроссовер, выполненный в виде отдельного блока. Преимущество такого типа

решения очевидно - удается избежать воздействия вибраций на пассивные

элементы фильтров.

Мы не упомянули священное слово - серебро. Действительно, серебро находит

применение в обмотках трансформаторов, акустических кабелях, катушках

индуктивности и обкладках конденсаторов. Вопрос в том, какой материал для

проводника аудиотракта лучше - медь или серебро, обсуждается давно. Довод в

пользу серебра - лучшая электропроводность; против - высокая цена. Утверждение о

лучшей электропроводности серебра справедливо только для постоянного тока. На

переменном же (в аудиодиапазоне) оно теряет это преимущество. Поэтому нет

оснований говорить об объективных преимуществах серебра, используемого в

вышеперечисленных изделиях. Следует также отметить, что характеристики

кабелей, трансформаторов, конденсаторов и катушек индуктивности зависят не

только от материалов, которые используются в их производстве, но и, подчас в

большей степени, от топологии, конфигурации и т. д.

Переходная и импульсная характеристики.

Переходная и импульсная характеристики (ПХ, ИХ) АС являются, возможно, одними

из самых важных. Для других частей звуковоспроизводящего тракта (например, для

всех видов линейных усилителей, в какой бы части тракта они не применялись, -

предварительных, мощности, устройствах звукозаписи, СD-плейерах и т. д.)

параметры этих характеристик измерялись давно. В отношении АС такие измерения

стали нормой сравнительно недавно. Что же они могут сказать о характеристиках

АС? При правильной интерпретации переходной и импульсной характеристик можно

узнать:

о синхронности работы головок; о порядке применяемых разделительных фильтров;

68

о степени задержки (накопления) энергии в разделительных цепях; о линейности частотной и фазовой характеристик; – о наличии или отсутствии

задержанных резонансов.

По импульсной характеристике можно рассчитать АЧХ и ФЧХ АС. Такую

возможность предоставляют практически все измерительные системы,

применяющие цифровую обработку сигналов.

Как было показано выше, существует множество вариантов формирования

переходной характеристики АС. Для закрытых систем она зависит от добротности

головки в акустическом оформлении (Qtc). Для систем с фазоинвертором - от типа

аппроксимации, выбранного для конкретной головки. Здесь уместно провести

аналогию с теорией усилителей, охваченных обратной связью, из которой известно,

что переходная характеристика содержит очень много информации о свойствах

устройства как во временной, так и в частотной областях. По наклону фронта можно

оценить скорость нарастания выходного сигнала, по выбросам - запас устойчивости,

по колебаниям на вершине импульса - время установления.

В отношении АС все гораздо сложнее. Во-первых, резонансы головок лежат в

звуковом диапазоне, во-вторых, имеется по крайней мере две системы (головки),

имеющие различные переходные характеристики (рис. 4.18. 1 – отклик ВЧ головки, 2

– отклик НЧ/СЧ головки). Поэтому, если разработчик ставит перед собой задачу

получения приемлемой ПХ АС, он обязан всеми доступными средствами обеспечить

согласование головок во временной и фазовой областях. На общую ФЧХ основное

влияние оказывают тип кроссовера, специальные корректирующие цепи и

фазочастотные свойства самих головок.

69

Рис. 4.18. Отклик на "ступеньку" двухполосной АС.

Теоретически, только системы на основе фильтров первого порядка позволяют

получить приемлемую ПХ (на оси АС). Например, на рис. 4.19 и 4.20 приведены ПХ

времякогерентной четырехполосной АС (отклик головок синхронный) и типичной

трехполосной с фильтрами Линквица-Райли (1,2,3 – отклики соответственно ВЧ, СЧ

и НЧ головок). Однако на практике бывают исключения. Например, модель ТС-60

фирмы Spica Loudspeakers имеет хорошую переходную харктеристику при ФНЧ

четвертого порядка (аппроксимация Бесселя). В высокочастотном же ее звене

применен фильтр первого порядка.

70

Рис. 4.19. Реакция четырехполосной времякогерентной АС на "ступеньку".

Рис. 4.20. Отклик на "ступеньку" типичной трехполосной АС с фильтрами четвертого порядка.

Временное согласование головок (time coherence) разумно с точки зрения здравого

смысла. Центры излучения у ВЧ, СЧ, НЧ головок, закрепленных на вертикальной

плоскости, находятся на разном расстоянии от слушателя. Для ВЧ и НЧ головок

разность хода звуковых волн может достигать 15 см и более (считается, что центр

излучения головки приблизительно совпадает с местом расположения звуковой

катушки). С теоретической точки зрения существуют несколько способов по

выравниванию излучений головок разных частотных полос:

смещение ВЧ и СЧ головок от вертикальной плоскости в глубину (вариант - наклон передней панели);

применение фазовых фильтров с линейной ФЧХ (линией задержки). Их реализация возможна на сонове пассивных элементов RL в кроссовере или с помощью активных кроссоверов, реализованных на ОУ и RC цепях;

применение цифровых технологий (цифровые фильтры корректоры и линии задержки для каждой из полос АС);

комбинация приведенных выше методов.71

Реализация аналоговых линий задержки (АЛЗ) в звуковом диапазоне частот

возможна с помощью пассивных и активных схем. Пассивные АЛЗ можно

реализовать на основе Т-образных фазовых звеньев второго порядка с линейной

ФЧХ. Однако расчеты показывают, что для обеспечения времени задержки порядка

150 – 300 мкс (типичное значение для двухполосных систем с фильтрами первого

порядка) и выполнения требования малой неравномерности ФЧХ в диапазоне до 25

кГц необходимо 6-8 таких звеньев. Общее число пассивных компонентов может быть

более полусотни. Кроме точной настройки цепи, требующей огромных затрат труда,

на пути сигнала придется поместить несколько десятков пассивных элементов. Это

не может не сказаться на качестве звука. Требование высокого качествах пассивных

цепей может увеличить стоимость АС более чем в несколько раз. При попытке

реализовать АЛ3 в виде активных цепей (на ОУ и RC элементах) можно столкнуться

с теми же проблемами. Количество ОУ и пассивных компонентов фазовых фильтров

превысит все разумные пределы. И хотя трудоемкость настройки активных цепей

меньше, чем пассивных, но она также достаточно велика. Поэтому практически

нецелесообразно применять в кроссоверах АС АЛ3. Можно утверждать, что на

сегодня сложилась довольно противоречивая ситуация, когда даже создатели

цифровых, линейных и акустических кабелей (Monster Cable подчеркивает это в

каждой рекламе) производят свои изделия с учетом получения линейного времени

групповой задержки (ГВЗ), в то время как большинство конструкторов АС

совершенно не озабочены этой проблемой (временное согласование и линейная

ФЧХ). Понятие группового времени задержки характеризует неравномерность

прохождения сигналов разхных частот через исследуемое устройство.

Сабвуферы

Производители АС предлагают два варианта сабвуферов: активные (АСВ) и

пассивные (ПСВ). ПСВ принципиально ничем не отличаются от низкочастотного

звена широкополосной АС. Поэтому рассмотрим АСВ. В их конструкции помимо АО,

динамических головок и усилителей мощности присутствуют активные

разделительные фильтры и корректоры (АРФК).

Основным преимуществом АРФК является простота формирования заданных АЧХ,

ФЧХ и ПХ АС. Их схемотехника обычно строится на основе операционных

усилителей и RC цепей. Можно реализовать фильтры любого типа и порядка. Также

появляется возможность регулирования основных параметров кроссоверов как в

процессе настройки, так и в эксплуатации.

72

Положительные свойства АРФК:

хорошая повторяемость характеристик; отсутствие влияния сопротивления нагрузки; возможность выравнивания чувствительности головок электронным способом; гибкость в выборе типа апроксимации фильтра, его порядка и частоты среза; возможность подстройки частоты среза и ФЧХ под заданные условия экплуатации; ограничение подводимой электрической мощности к НЧ головкам на частотах

максимального смещения подвижной системы, что позволяет увеличить подводимую мощность в пределах рабочей полосы и значительно снизить нелинейные искажения.

отсутсвие разделительных фильтров между УНЧ и головкой (что, в принципе, справедливо и для многополосных систем с активными разделительными фильтрами);

относительная простота апгрейда;

Среди отрицательных свойств можно отметить следующие:

большое число пассивных и активных элементов на пути прохождения сигнала; стоимость пропорциональна возможностям; дополнительная стоимость УНЧ на каждую полосу раздела; необходимость сложной настройки (часто с применением измерительной аппаратуры) на

месте эксплуатации.

Некоторые производители двухполосных АС поставляют за дополнительную плату

АРФК для согласования характеристик своих систем с сабвуферами других

производителей.

Гибкость в формировании заданных АЧХ, ФЧХ и переходной характеристики

позволяет уже на стадии проектирования определить основные требования к

головкам, АРФК и УНЧ. Располагая этими исходными данными, можно электронным

способом принудительно изменять добротность головки В АО и влиять на

характеристику апроксимации. Для этих целей чаще всего используют

положительную обратную связь по току в комбинации с отрицательной обратной

связью по напряжению. Гораздо реже используют устройства с датчиками

динамического слежения за перемещением подвижной системы.

Несмотря на потенциальные преимущества АСВ лишь немногие аудиофилы

применяют их в своих системах. Причиной является сложность временного

согласования, большая трудоемкость настройки. АСВ в основном используются в

системах домашнего кинотеатра (AC-3, DTS), в которых звуковые эффекты являются

неотъемлемой частью сюжета. Эти звуки являются искусственными, поэтому обычно

неважно, правильно или нет они воспроизводятся аудиосистемой.

73

Рис. 4.21. Внешний вид сабвуфера.

Проигрыватели грампластинок

Любой проигрыватель грампластинок (ЭПУ) состоит из маховика, вращающегося со

строго определенной скоростью (33 оборота в минуту), электродвигателя, который

приводит маховик во вращение, и тонарма с установленной на нем головкой

звукоснимателя. Игла головки следует по канавкам грампластинки.

Развиваемое головкой звукоснимателя электрическое напряжение имеет весьма

малую величину и требует дальнейшего усиления.

Техника выполнения привода вращения маховика, позволяющая избежать

низкочастотной вибрации от движущихся механических частей ЭПУ и получить

стабильную скорость вращения грампластинки, достаточно хорошо разработана и

относительно проста. Одним из лучших по совокупности потребительских

параметров является привод Direct-drive (рис. 4.22) (прямой привод, в котором

маховиком служит ротор тихоходного электродвигателя).

Рис. 4.22. Конструкция привода Direct-drive.

Конструкции же тонармов современных ЭПУ весьма сложны. При создании матрицы

для печати грампластинок резец рекордера движется по ее радиусу, в то время как

при воспроизведении игла звукоснимателя движется по дуге. В результате

74

нарушается верность воспроизведения записанной фонограммы. Поэтому для

уменьшения искажений используют тонармы максимально возможной длины.

В процессе проигрывания грампластинки на тонарм звукоснимателя воздействует

постоянная сила, направленная вдоль радиуса пластинки к ее центру, которая

прижимает иглу звукоснимателя к внутренней стороне канавки. Возникает так

называемый Scating-effect. Он проявляется только при прослушивании

стереофонических грампластинок, где информация в каналах L и P записана

соответственно на внутренней и внешней сторонах звуковой канавки. Scating-effect

вызывает искажения и больший износ внутренней стороны канавки. Для борьбы с

этим эффектом тонармы высококачественных ЭПУ, выполняемые, как правило, из

тонких и легких трубок, снабжаются компенсирующим устройством. Для плавного

поворота тонарма его оси установлены в подшипниках. Тонарм тщательно

балансируют в вертикальной и горизонтальной плоскостях, внутреннюю полость

трубки тонарма заполняют демпфирующим материалом.

Иногда встречаются сложные по конструкции тангенциальные тонармы,

позволяющие головке звукоснимателя перемещаться по радиусу грампластинки от

ее наружного края по направлению к центру (рис. 4.23).

Рис. 4.23. Типы тонармов ЭПУ: а) обычный, б) тангенциальный

Еще более сложной и в значительной степени определяющей качество

воспроизведения грампластинки, является конструкция головки звукоснимателя.

Существует около десяти различных типов звукоснимателей, различающихся по

принципу преобразования механических колебаний иглы в электрические сигналы.

Сегодня наиболее приемлемыми для потребителей являются электромагнитные

головки, которые подразделяются на головки с подвижным магнитом (Moving Magnet

- MM) и с подвижной катушкой (Moving Coil - MC).

Головки МС более сложны и дороги (колеблющиеся вместе с иглой в поле

неподвижного магнита катушки намотаны проводом, в три-четыре раза тоньше

человеческого волоса). Кроме того из-за весьма низкой отдачи они требуют более

75

сложных и соответственно более дорогих предварительных усилителей-

корректоров, чем головка ММ. Но именно МС головки обеспечивают наиболее

натуральное звучание фонограмм. Иглы в высококачественных звукоснимателях

применяются только алмазные, с очень точной конфигурацией острия в форме

конуса, скользящего по звуковой канавке. В особо качественных головках

звукоснимателей используются иглы, имеющие острие в форме сферы. Это

позволяет снизить механический износ грампластинок. Иглодержатели, имеющие

трубчатую конструкцию, заполняются демпфирующим материалом.

Рис. 4.24. Внешний вид современного проигрывателя грампластинок.

Проигрыватели компакт-кассет

Записываемые электрические сигналы со входа через усилитель записи УЗ

поступают в обмотку головки записи ГЗ и создают в ее сердечнике магнитный поток

(рис. 4.25). В сердечнике головки воспроизведения ГВ, с которым соприкасается

движущаяся магнитная фонограмма, возбуждается магнитный поток. Изменения

потока создают ЭДС в ее обмотке. Она подводится к усилителю воспроизведения

УВ. Стирание ненужной записи осуществляется головкой стирания ГС, питаемой

током высокой частоты от генератора стирания и подмагничивания ГСП. Последний

служит также для подмагничивания ленты с целью линеаризации процесса записи.

76

Рис. 4.25. Структурная схема магнитофона.

 Лентопротяжный механизм содержит ведущий двигатель Д1, к оси которого лента

прижимается прижимным роликом Р, подающий узел, снабженный двигателем Д2, и

приемный узел, снабженный двигателем Д3. Вращающий момент двигателя Д2

направлен противоположно вращающим моментам двигателей Д1 и Д3. Благодаря

подтормаживающему действию двигателя Д2 лента находится в натянутом

состоянии и плотно прилегает к сердечникам головок. Во многих бытовых

магнитофонах функции двигателей объединяются в одном с целью уменьшения

массы, размеров и снижения стоимости.

Рис. 4.26. Внешний вид проигрывателя компакт-кассет.

Проигрыватели компакт-дисков

Проигрыватели компакт-дисков содержат движущий механизм, устройства

декодирования сигналов и исправления ошибок, слежения за дорожкой и

стабилизации скорости считывания, а также различные вспомогательные

устройства.

Схема считывания информации с компакт-диска изображена на рис. 4.27. Она

содержит двигатель 1, вращающий компакт-диск 2, полупроводниковый лазер

инфракрасного диапазона 3, собирающую линзу 4, направляющую лучистый поток

через расщепляющую призму 5, поляризующую пластинку 6, и фокусирующую линзу

7 на отражающую поверхность компакт-диска 2 с углублениями. Поляризирующая

пластинка 6, толщина которой равна четверти длины волны лазера, вертикально

поляризует лучистый поток, отраженный от поверхности компакт-диска.

Расщепляющая призма с зеркальной поверхностью 8 пропускает лучистый поток от

77

лазера, но не пропускает обратно лучистый поток, отраженный от поверхности

компакт-диска. Этот лучистый поток направляется зеркальной поверхностью через

фокусирующую линзу 9 на фотодиод 10.

Рис. 4.27. Схема проигрывателя компакт-дисков.

В проигрывателе имеется система слежения для обнаружения расфокусировки

лазерного луча, вызванной вертикальными биениями компакт-диска. При точной

фокусировке из отраженного от компакт-диска лучистого потока на поверхности

фотодиода формируется круг. При отклонении отражающей поверхности компакт-

диска от заданного положения круг превращается в эллипс. Для оценки формы

следа, создаваемого на поверхности фотодиода отраженным лучистым потоком,

фотодиод имеет четыре секции (поля), с каждой из которых снимается свой

электрический сигнал. Четыре выходных сигнала управляют положением

фокусирующей линзы 7 с помощью фокусирующего устройства 11. В результате

сфокусированная точка удерживается на отражающей поверхности компакт-диска. С

помощью устройства 12 сфокусированная точка принимает правильное положение

относительно дорожки записи.

78

Рис. 4.28. Внешний вид CD-проигрывателя.

Mono & Stereo

В самом общем виде структурная схема звуковой системы независимо от ее

назначения (радиовещание, телевидение, грамзапись, кинематограф и т.д.)

изображена на рис. 4.29, а. Здесь: 1, 2, 3, ..., N - входные каналы первичных

звуковых сигналов xi(t), получаемых непосредственно от микрофонов, устройств

воспроизведения магнитной записи, ревербераторов и т.д.; Ф - совокупность

устройств, с помощью которых звукорежиссер формирует из множества первичных

исходных сигналов n канальных сигналов (1, 2, 3, ..., n), подлежащих передаче на

выходную сторону системы. Ф может включать в себя коммутационные и

смесительные устройства, разнообразные по назначению регуляторы уровня

(индивидуальные, групповые, общие), панорамно-кодирующие устройства ПКУ,

служащие для синтеза стереопанорамы, корректоры формы АЧХ, ревербераторы;

обычно N>>n; В - совокупность устройств, посредством которых на приемной

стороне системы из n канальных сигналов получают сигналы 1, 2, 3, ..., N1,

воспроизводимые громкоговорителями Гр1, Гр2, ..., Гр N1 системы воспроизведения.

Обычно nN1 и N>>N1. Кроме того, вся совокупность устройств, входящих в состав

Ф, исключая ревербераторы, объединена в пульте звукорежиссера. Последний

наряду с системой воспроизведения, цифровыми ревербераторами, магнитофонами

устанавливается в аппаратной студийного блока. Совокупность же устройств В

расположена в жилой комнате (радиовещание, телевидение, грамзапись) или

кинозале (кинематограф). В состав электроакустической системы не входят тракты

первичного и вторичного распределения программ, а также высокочастотные части

радиоприемной и телевизионной аппаратуры.

79

Рис. 4.29. Структурные схемы электроакустических систем звукопередачи: а) обобщенная б) обычной

стереофонической системы.

Электроакустические системы разделяют прежде всего по числу каналов передачи

(n) и воспроизведения (N1). Рассмотрим структурные схемы двух систем:

монофонической (n=N1=1) и обычной (традиционной) стереофонической (n=N1=2).

Монофонической называется система, в которой передающая и приемная стороны

связаны одним каналом передачи (n=1). Число каналов воспроизведения (N1) также

равно 1, а В представляет собой одноканальный усилитель низкой частоты УНЧ,

система воспроизведения содержит только один громкоговоритель (акустическую

систему). В отличие от этого в обычной стереофонической системе (рис. 4.29, б) из

исходного множества {xi(t)}N первичных сигналов xi(t) формируются левый Л и правый

П сигналы стереопары. Их передача осуществляется по двум независимым

(раздельным) каналам (n=2). На приемной стороне звуковоспроизведение сигналов

Л и П может осуществляться с помощью:

разнесенной системы воспроизведения СВ, состоящей из двух одинаковых громкоговорителей Гр1 и Гр2, устанавливаемых перед слушателем на некотором расстоянии друг от друга (рис. 4.30, а);

совмещенной СВ; здесь громкоговорители левого и правого каналов объединены в одном корпусе с телевизионным или радиоприемником, магнитофоном (рис. 4.30, б);

комбинированной системы воспроизведения; при этом возможны два варианта построения: в первом объединены низкочастотные звенья левого и правого громкоговорителей, излучающие сигнал Л+П (Гр3), а среднечастотные и высокочастотные звенья Гр1 и Гр2 выполнены в виде отдельных выносных громкоговорителей Гр1 и Гр2, имеющих малые габариты; во втором варианте объединяются как низкочастотные, так и высокочастотные звенья (также излучают сигнал Л+П), а выносные громкоговорители Гр1 и Гр2 работают в диапазоне частот 300 ... (8000 ... 10000) Гц и воспроизводят соответственно сигналы Л и П.

80

Рис. 4.30. Варианты построения системы воспроизведения при традиционной стереофонической системе

звукопередачи: а) разнесенная; б) совмещенная.

Признаками качества, характеризующими стереофоническое звучание, являются:

пространственное впечатление, т.е. разнесенность компонентов стереофонической панорамы как по фронту вдоль линии, соединяющей громкоговорители, так и в глубину от нее, причем местоположения источников звука в этой области пространства могут быть четко локализованы;

прозрачность звучания, благодаря чему легко выделяются и раздельно воспринимаются инструменты или их группы на фоне звучащего ансамбля;

правильность передачи тембров инструментов и голосов, высокая естественность тембра инструмента как в момент удара молоточком по струнам (нестационарный процесс), так и во время звучания струн;

передача "басовых" звуков оркестра без излишней "гулкости", свойственной монофоническому звучанию;

лучшее, чем при монофонической передаче, восприятие "акустической атмосферы" первичного помещения.

Весьма важной особенностью, свойственной стереовоспроизведению, является

появляющаяся возможность воздействия на слушателя направленностью прихода

звуков, что позволяет подчеркнуть конфликтность различных тем, их объединение,

сопоставление, противопоставление и т.д.

81

Рис. 4.31. Зоны полного (кривая 1) и частичного (кривая 2) стереоэффекта.

Всю площадь прослушивания, где наблюдается предпочтительность

стереовоспроизведения, можно разделить на две части, назвав их соответственно

зонами полного и частичного стереоэффекта. Зоной полного стереоэффекта

называется площадь (обозначена цифрой 1 на рис. 4.31), в пределах которой

предпочтительность превышает 85%, а искажения локализации звуковых образов

стереопанорамы не превышают 0,1 В. В пределах зоны полного стереоэффекта

возможны качественно правильная локализация звуковых образов стереопанорамы,

их уверенное пространственное разделение. Размер этой зоны невелик, центром ее

является точка оптимального слушания (точка А). Зоной частичного стереоэффекта

называется площадь (обозначена цифрой 2), в пределах которой

предпочтительность стереовоспроизведения составляет 60 ... 85%, а число

раздельно воспринимаемых направлений не менее трех.

Dolby Surround Pro Logic

В 1987 появилась Dolby Pro Logic Surround. Эта система сразу получила

положительную оценку энтузиастов домашних кинотеатров благодаря более

качественному пространственному разделению каналов, и расширенной зоне

прослушивания, по сравнению с уже известной к тому моменту системой Dolby

Surround. Однако тогда вследствие сложности активной матрицы декодера, Pro Logic

вышла в ценовой диапазон Hi-End техники. Т.е. в течение некоторого времени эта

система была сугубо элитным товаром.

Однако, уже через год был осуществлен очередной прорыв, теперь в ценовой

области. Был разработан очень удачный ЧИП, в который вошли, кроме активной

матрицы, еще и все управляющие цепи Dolby Pro Logic системы.

Pro Logic - это активный процесс, предназначенный для усиления локализации

звуковых эффектов, путем использования декодирующей техники высокого 82

разрешения. Эта техника использует те же принципы, что и профессиональные

системы Dolby Stereo. В частности, в Pro Logic всегда присутствует центральный

динамик, а не его Phantom-аналог, как в Dolby Surround.

Основной принцип активного декодирования - усиление по доминантному направлению

Как известно, пассивные декодеры используют простую разностную схему для

извлечения компоненты Surround из входных сигналов Lt и Rt. Т.е. эта компонента

сильно отличается от того, что было заложено в программу при Dolby- кодировании.

Ведь разница между Lt и Rt определяется не только наложением на них

противофазных составляющих Surround, но и, собственно, их входными различиями.

Т.е. нельзя говорить о полной независимости фронтальных и Surround каналов.

Кроме того, пассивные декодеры создают качественную звуковую картину только

для зрителей, которые сидят в четко определенном месте - где хорошо слышен

центральный Phantom-динамик.

"Усиление по доминантному направлению" это термин, который применяется к

любому методу ослабления эффекта смешения выходных сигналов пассивной

матрицы путем манипулирования ее выходными. Целью таких методов является

создание остросфокусированных звуковых образов доступных для восприятия в

широкой зоне прослушивания. Активный декодер - в самом общем смысле, это

пассивный декодер дополненный цепью выборочного усиления. Существует

несколько довольно распространенных схем. Они все используют многоканальные

выходные усилители, управляемые напряжением. В некоторых случаях декодеры

дополняются системами вычитания из фронтальных сигналов центральных и

Surround каналов (так называемая "концепция аннулирования"). Но самыми

распространенными активными декодерами сегодня являются декодеры,

использующие так называемую "концепцию постоянного общего уровня".

Концепция постоянного общего уровня

Основой данного принципа является тот факт, что доминантный по направлению в

данный момент звук временно ограничивает способность слушателя воспринимать

изменения в направленности не доминантных. Однако это верно лишь в том случае,

если общий уровень будет поддерживаться постоянным.

83

Похожий принцип "маскировки доминирующим сигналом" давно и успешно

используется в системах шумопонижения Dolby (Dolby NR). В этих системах уровень

доминантного сигнала (музыки на магнитной ленте) на 20- 40 Дб выше, чем шум

магнитной ленты в том диапазоне, в котором цепь шумопадавления динамически

активна, однако все равно остается опасность "шумовой модуляции".

В звуковых дорожках к фильмам, разница в уровнях параллельных каналов часто

менее 20 Дб, а бывает что в течение каких-то промежутков времени ее нет совсем.

Поэтому маскирование доминантным звуком гораздо менее эффективно, чем в

системах NR.

Представим, что два канала имеют очень близкие уровни. Тогда система,

построенная на принципе маскирования начнет давать эффект смешения еще в

большей степени неприятный для слушателя, чем неполное разделение каналов,

имеющее место при использовании пассивных декодеров.

Здесь мы приходим к очень важному заключению. Система маскирования не должна

работать все время, как в системах шумоподавления. Декодер должен время от

времени становится пассивным. Например, звуки ветра или дождя, которые по

замыслу равномерно заполняют всю зону прослушивания, должны литься

одновременно из всех динамиков. В этом случае не требуется локализации звука, и,

как следствие усиления по доминантному направлению.

Поддерживая постоянный уровень общего сигнала, и применяя усиление по

доминантному направлению, лишь когда это необходимо, мы добьемся

оптимального результата в создании наиболее реалистичной звуковой картины.

Природа доминантного сигнала

По определению, доминантный звук - это наиболее сильный звук в полной аудио-

картине в данный момент времени. Наиболее высокая степень доминирования

существует, когда весь сигнал сосредотачивается по одному направлению.

Напомним, что при использовании пассивного декодера такой сигнал будет

излучаться как одним доминантным в данный момент динамиком, так и соседними,

что является издержками такой системы.

Для маскирования этого отрицательного эффекта, принимая во внимание также

необходимость четкого временного разделения отдельных доминантных

84

краткосрочных звуков (выстрелов, например,) приходим к требованию двух

дополнительных характеристик для активного декодера.

Декодер должен достаточно быстрым, чтобы обрабатывать раздельно звуки, которые должны быть слышимы, как индивидуальные события. Вкупе с тем фактом, что декодер обеспечивает повышенное усиление только для одного направления в каждый момент времени, это дает предельно фактурную звуковую картину.

Декодер должен иметь четкий выставленный порог превышения уровня одного сигнала над ближайшим, следующим за ним. При падении превышения ниже этого порога, система усиления по доминантному направлению должна выключаться.

Поэтому Pro Logic декодер четко отслеживает уровень доминирования. Пока

доминирование ниже определенного уровня, декодер остается в "медленном"

режиме для воспроизведения стабильной, насыщенной звуковой картины. При

определенных выше условиях декодер переключается в "быстрый" режим для

раздельной обработки каждого индивидуального события.

Рис. 4.32.

Dolby Digital (AC-3)

Система Dolby Digital представляет шесть каналов кристально чистого объемного

цифрового звука. Левый, центральный и правый фронтальные каналы позволяют

точно определить позицию источника звука на экране. Отдельные "разделенные"

левый и правый задние боковые каналы вовлекают вас в фильм своими

окружающими и обтекающими звуками. А дополнительный низкочастотный канал

добавляет накал действию на экране.

Принципы Dolby Digital ведут свое развитие из разработок Dolby по аналоговому

уменьшению шума. Шумоподавление Dolby работает путем ослабления шума, когда

нет аудио сигнала, а когда он есть, позволяя более сильному полезному аудио

сигналу перекрывать более слабый шум. Таким образом, эта технология использует 85

преимущества психо-акустического феномена известного как слуховое

маскирование. Даже если аудио сигнал занимает только часть спектра,

шумоподавление Dolby уменьшает уровень шума в тех частях спектра, в которых нет

полезного сигнала делая шум незаметным. Это делается потому, что аудио сигнал

может маскировать только ближний по частотам шум.

При переходе от аналоговой записи сигнала к записи на цифровой носитель такой

как компакт-диск, обнаруживается, что цифровое кодирование аудио сигналов

используемое в CD производит слишком большие объемы данных для того чтобы их

эффективно хранить или передавать в электронном виде, особенно в случаях, когда

необходимо кодировать несколько каналов. В результате появились новые формы

цифрового кодирования аудио сигналов - известных под общим названием

"perceptual coding - чувствительное (восприимчивое) кодирование" - которые были

разработаны так чтобы можно было использовать низкоскоростные потоки данных с

минимально ощущаемой потерей звукового качества. Примером такого алгоритма

кодирования является третье поколение кодеров Dolby - AC-3 (Audio Coding - 3).

Система Dolby AC-1 была впервые использована Австралийской телевещательной

корпорацией в 1985 году. Из-за своей низкой цены АС-1 стала использоваться в

других системах DBS, спутниковых сетях, в цифровом "кабельном" радио со

скоростью передачи 220-335 кб/с, в зависимости от приложения. Освобожденный от

данных ADM, поток данных такой системы содержит информацию не об абсолютном

значении аудиосигнала, а об изменении значения.

Система Dolby AC-2 используется для кодирования и хранения профессиональных

аудиоданных, скорость их передачи - от 128 до 196 кБ/с на каждый канал. Обработка

звукового сигнала производится по узким диапазонам, что дает преимущество по

маскировке шумов, увеличивает эффективность передачи данных. Среди прочих

приложений, АС-2 используется для связи между студиями, записи в режиме

реального времени, микширования и сеансов ADR. Система АС-2 также является

основой систем Dolby DSTL, применяющейся для связи между передающими

станциями.

Система Dolby AC-3 - первая система, предназначенная для многоканального

цифрового кодирования звука. Эта система вобрала в себя положительные стороны

систем АС-1 и АС-2, развитие которых в сущности повлияло на аналоговые

кодирующие системы. Уникальный опыт корпорации Dolby Laboratories в области

шумопонижения сыграл немаловажную роль в эффективности шумопонижения при

86

передаче данных для систем АС-3: чем меньше число бит для описания

аудиосигнала, тем больше уровень шумов.

Система шумопонижения Dolby понижает уровень шумов на частотах, где не

присутствует аудиосигнал, пока полезный аудиосигнал не закроет или замаскирует

шумы. Таким образом успешно используется акустическое явление, известное под

названием "слуховая маскировка". Даже если звуковой сигнал присутствует в данной

части спектра, система Dolby NR уменьшает шумы в других частях так, что шум

становится незаметным. Это происходит по той причине, что звуковой сигнал может

маскировать шумы только на близлежащих частотах.

АС-3 была разработана для получениа максимального преимущества при

использовании эффекта "слуховой маскировки" для человеческого слуха. Звуковой

спектр каждого канала разделяется на узкие частотные полосы различного размера,

оптимизированные под особенность восприятия звука человеком. Это делает

возможным отфильтровать шумы так, что они вынужденно остаются вблизи тех

частот, на которых кодируется аудиосигнал. При уменьшении или устранении шумов

независимо от того, замаскированы они аудиосигналом или нет, качество звука

оригинального сигнала сохраняется.

Dolby Digital использует технологию "shared bitpool" ("разделяемых битов"), и также

модель маскирования человеческого слуха, чтобы достичь наибольшей

эффективности передаваемых данных. Разряды неравномерно распределяются

между множеством узких полосок частоты, причем в каждом конкретном случае по-

разному, в зависимости от спектра и динамической структуры кодируемого сигнала.

Применяя модель слухового маскирования, кодер предоставляет оптимальное

количество разрядов для аудио сигнала в каждой полосе. Дополнительно

происходит перераспределение разрядов между разными каналами в соответствии

с моделью, по которой более насыщенный частотами канал потребует больше

данных для передачи, чем другие, слабо заполненные, а также учитывается, что

сильный сигнал в одном канале может маскировать появляющийся шум в других

каналах. В результате Dolby Digital может использовать пропорционально больше

передаваемых данных для кодирования звука, выдавая более качественный сигнал

и позволяя кодировать несколько звуковых каналов в более низкоскоростные потоки

данных чем требует даже один канал на компакт диске.

В киноиндустрии звуковая дорожка Dolby Digital кодируется оптически прямо на

киноленту в промежутках между перфорационными отверстиями. Размещение

87

цифровой звуковой дорожки на том же носителе что и фильм позволяет ей

сосуществовать вместе с аналоговой дорожкой без привлечения дополнительных

носителей данных, таких как CD. Это позволяет упростить производство, а для

владельцев кинотеатров использование фильмов, а также позволяет подготовить

дорожку Dolby Digital практически без дополнительных затрат. Поскольку часть

ленты с перфорированными отверстиями изготавливают с расчетом на высокую

сопротивляемость износу и повреждениям, дорожка Dolby Digital не будет

подвержена треску и шипению на протяжении всего времени эксплуатации ленты.

В бытовой электронике технологию Dolby Digital можно встретить в последнем

поколении лазерных дисков (там где была обычная аналоговая звуковая дорожка),

она является стандартной звуковой дорожкой в DVD и используется как аудио

формат для телевидения высокой четкости - HDTV, а также в системах кабельного и

спутникового телевидения.

Последние несколько лет компания Dolby Laboratories использовала термин Dolby

Digital для ссылок на их новую цифровую систему для киноиндустрии, в то время как

под термином Dolby Surround AC-3 подразумевала системы домашнего кинотеатра.

На практике, эти две системы являются небольшими вариациями (слегка

различающимися в скорости потока данных) одной базовой технологии. И для того

чтобы больше не вводить пользователей в заблуждение, решили, что и формат

Dolby для домашних многоканальных систем также назывался тем же именем, что и

в киноиндустрии -- Dolby Digital.

Считается, что это поможет потребителям более легко определять поддерживает ли

какой-либо продукт эту технологию, и поможет отличить ее от форматов Dolby

Surround и Dolby Pro Logic, которые базируются на аналоговых технологиях. В новом

поколении лазерных дисков, и новых форматах использующихся в DVD и

телевидении высокой четкости (HDTV), также будут ссылаться на термин Dolby

Digital, как это сейчас делают в отношении профессиональных киноприложений.

Общее название Dolby Digital также должно помочь прекратить растущие

заблуждения пользователей, связанные с термином "AC-3", который является

техническим обозначением технологии Dolby, разработанной для многоканальных

приложений.

Dolby Digital предоставляет в общей сложности шесть раздельных каналов звука. Как

и Dolby Surround Pro Logic, она включает в себя левый, центральный и правый

каналы во фронтальной части комнаты. Dolby Surround Pro Logic предоставляет

88

дополнительно еще один канал с ограниченной полосой частот (от 100 до 7000Гц)

для объемного ("окружающего") звука, который обычно усиливается через два

канала усилителя и подается потом на два динамика. Тогда как Dolby Digital

предоставляет раздельные левый и правый каналы объемного звука для более

точного определения местоположения звуков и более натуральной, реалистичной

передачи атмосферы и фона. И ко всему прочему все пять основных каналов

передают полный спектр частот (от 3 до 20000 Гц), к которым вы можете добавить

низкочастотные динамики (сабвуферы).

Шестой канал - Low Frequency Effects Channel (канал для низкой частоты и

эффектов), иногда содержит дополнительную низкочастотную информацию для

усиления эффекта от некоторых сцен, например, таких как взрывы, катастрофы и

т.д. Из-за того, что этот канал сильно ограничен сверху по частоте (от 3 до 120Гц),

его иногда называют ".1" каналом. Если его добавляют к полным 5 каналам Dolby

Digital, то про такие системы говорят, как про имеющие "5.1" канала.

Все шесть каналов в системе Dolby Digital полностью цифровые, из чего следует, что

на всем пути от пульта звукооператора до вашей домашней системы они

передаются без потери качества. Но Dolby Digital еще и упаковывает их все в один

канал, который занимает места меньше чем один канал на компакт диске. Именно

это позволяет так легко добавлять звуковые дорожки Dolby Digital к обычным

лазерным дискам, а также к множеству других источников. Степень сжатия этого

канала составляет 15/1.

В следующей таблице проводится сравнение свойств Dolby Digital и Dolby Surround

Pro Logic.

Таблица 4.1

Параметр Dolby Digital Dolby Surround Pro Logic

Канал окружения (тыловой канал)

Стерео, полночастотный (3-20000 Гц).Монофоничекий, с

ограниченным спектром (100-7000 Гц).

Низкочастотный канал

Да (3-120 Гц). Нет

Схемы подключения каналов

СложнаяСлева направо, справа налево,

спереди назад и наоборот.

Каналы6 отдельных, все каналы могут быть активны

одновременно и независимо друг от друга.

4 производных, может воспроизводится только один

преобладающий сигнал в каждый момент времени.

89

Разное

Улучшенная картина звука, благодаря "time alignment - выравниванию по времени", т.е. заставляет динамики звучать так, как будто они находятся от слушателя на одинаковом

расстоянии.

Экономное решение задачи получения

высококачественного объемного звука.

При снижении общей громкости в звуковых дорожках динамичных фильмов (например, когда действие происходит поздно ночью), соответствующим образом подстраивается компрессия, так чтобы сохранить качество

тихих фрагментов.

Объемный звук от любого незакодированного источника

стерео звука.

Декодеры могут быть настроены так, чтобы направлять низкочастотный звук в специальные каналы, для систем с

сабвуферами.

Совместим со всеми существующими и будущими

стерео форматами.

Драматический шаг вперед по вовлечению слушателя в мир реальных звуков.

Беспрецедентные творческие возможности для производства и управлению звуком.

Представляет собой значительный шаг вперед от

обычного стерео звука. Является мировым стандартом.

У Dolby Digital есть одна прекрасная вещь - большая гибкость кодирования. Dolby

Digital технически допускает огромное разнообразие форматов, а некоторые из них

появятся в самое ближнее время:

Телевидение высокой четкости (HDTV). Эта новейшая система одной из первых

выбрала Dolby Digital своей основной звуковой подсистемой. Выбор был сделан

"Grand Alliance" - организацией устанавливающей все стандарты для систем HDTV в

США.

Спутниковое телевидение - Direct Broadcast Satellite (DBS) уже сегодня активно

использует такие преимущества системы Dolby Digital как высокое качество и

простота передачи. К примеру, служба "DMX for Business" использует Dolby Digital

для передачи 120 музыкальных стерео каналов, и все они передаются с одного

передатчика. PrimeStar планирует в ближайшее время добавить Dolby Digital к свой

службе телевизионной спутниковой передачи.

Кабельное телевидение внедряет системы с Dolby Digital из-за соображений

эффективности и для того чтобы быть готовым к стандартам будущих систем

телевидения высокой четкости.

В формат Digital Video Disc (DVD) уже входит Dolby Digital.

Остальные форматы, такие как цифровые видеокассеты - Digital Video Cassette

(DVC), и цифровая аудио передача - Digital Audio Broadcast (DAB), являются

первыми в списке на внедрение уникальной комбинации качественного звука, 90

эффективной передачи всего спектра сигнала и многоканальных возможностей

технологии Dolby Digital.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Кодер Dolby Digital способен обработать входной сигнал с, по крайней мере, 20-ти

разрядным динамическим цифровым сигналом с диапазоном частот от 20 до 20000

Гц ±0.5 дБ (-3 дБ на 3 и 20300 Гц). Низкочастотный канал покрывает диапазон от 20

до 120 Гц ±0.5 дБ (-3 дБ на 3 и 121 Гц). Поддерживаются частота дискретизации в

32, 44.1 и 48 кГц. Ширина выходного потока данных может варьироваться от

минимума в 32 кбит/сек для одного монофонического канала, до максимума в 640

кбит/сек, удовлетворяя всему возможному диапазону требований. Типичными

являются скорости в 384 кбит/сек для "5.1" канального Dolby Digital потребительского

формата, и 192 кбит/сек для двух канальной передачи звука.

Рис. 4.33. Система Dolby Digital (сабвуфер не показан).

Digital Theatre System

При использовании CD платформы DTS алгоритм позволяет воспроизводить до

шести полно-полосных аудио каналов при 20-ти битном разрешении и частотой

дискретизации 44.1 или 48 кГц и точности 20 бит. Шесть каналов могут быть

сконфигурированны несколькими способами. Например 4+2 формат с двойными

фронтальными стереопарами и стерео сурраундом, 3+3 круговой формат, который

стабилизирует стерео сурраунд сигнал, и, в последнее время, 3+2+1 формат - с

шестым каналом вертикально над слушателем, направленный вниз, для передачи

информации о высоте. Последний формат имеет преимущество в том, что более

стандартный 3+2 формат может проигрываться на нем без смешивания каналов.

91

КОДИРОВАНИЕ И ДЕКОДИРОВАНИЕ

Декодер DTS, работающий в режиме реального времени позволяет контролировать

до шести каналов в цикле кодирования\декодирования. Вход в кодер производится

через три AES-EBU цифровых фазово-сопряженных аудио каналов. Выход сжатого

сигнала производится через один, синхронный с входным сигналом, но с задержкой,

AES-EBU канал и может быть записан на любом цифровом аудио-устройстве (DAT,

CD-R или цифровой аудио рабочей станции). DTS декодер получает сжатые данные

через оптический Toslink или одинарный RCA разъем и подает на выход

декомпрессированный сигнал как в цифровой, так и в аналоговой форме. Кодер\

декодер является таким образом полностью цифровым устройством и способен

работать с 24-битной точностью.

Запись музыки для мультиканальных презентаций в настоящее время очень сильно

меняется и развивается. Увеличение числа колонок и стандартизация их

расположения является только первым шагом, но это предоставляет, по сравнению

со стерео записью, колоссальные возможности для творчества продюсерам и

звукорежиссерам.

Киноиндустрия предложила очень удобную отправную точку, предложив 5.1 формат

(6 отдельных электронных каналов и акустических систем: левый, центральный,

правый, левый тыловой, правый тыловой и сабвуфер (канал “.1”)).

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ DTS CJHERENT ACOUSTICS. ЦЕЛИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Компрессионный алгоритм DTS Coherent Acoustics с самого начала был

спроектирован для работы при студийном качестве, т.е. превосходить CD-формат, и

применительно к мультиканальному формату должен обеспечить прорыв в качестве

воспроизведения в домах потребителей.

Другой целью было сделать данный алгоритм широко применяемым и,

следовательно, гибким. Мультимедийные приложения ограничили величину потока

данных и требуют наличия режима 5.1, работающего не более чем при 384 кбит/с.

Профессиональные музыкальные приложения требуют больших частот

дискретизации, более длинных слов, несколько дискретных аудио каналов и все

более требуют качественное, без потерь сжатие данных. Все эти качества были

воплощены в DTS Coherent Acoustics.

92

Последней целью было сделать алгоритм компрессии относительно простым, чтобы

обеспечить его жизненность. Это обеспечило бы потребителей дешевыми

аппаатными решениями и возможными будущими улучшениями.

ОСНОВНОЙ ПРОЦЕСС КОДИРОВАНИЯ

DTS Coherent Acoustics является чувствительно оптимизированным

дифференциальным узкополосным кодировщиком. Совмещая дифференциальное

кодирование и психо-акустически смоделированные шумовые пороги, можно усилить

эффективность кодирования небольших цифровых потоков, а, следовательно, еще

более понизить поток, при котором все еще достигается прозрачность звука.

Несколько каналов аудио кодируются распределением битов по всем каналам, либо

при постоянном потоке данных или адаптированно.

Для расщепления каждого канала PCM исходного сигнала на 32 полосы равной

ширины использовался многоскоростной банк фильтров. Такой выбор фильтров

обеспечивает выигрыш в процессе кодирования, низкие вычислительные затраты и

отличное смягчение и ослабление стоп-полосы.

Дифференциальное кодирование происходит внутри каждой из полос, тем самым из

аудио сигнала удаляется избыточная информация. Параллельно на некодированном

сигнале присходит психоакустический анализ и анализ случайностей, для

определения только той информации, которая определяется на слух. результаты

этого анализа используются для модификации главного дифференциального

кодирующего цикла, работающего над каждой из полос спектра. В мультиканальном

формате операция по распределению битов происходит по всем кодированным

каналам, адаптированно во времени для обеспечения наивысшего качества

звучания.

ГЛАВНЫЙ ДЕКОДИРУЮЩИЙ ПРОЦЕСС

Главный декодирующий процесс является гораздо более простым по сравнению с

кодирующим и не включает в себя вычислений, играющих важную роль в качестве

декодированного аудио, таких как большие распределения. Это позволяет

обеспечить то, что будущие изменения в DTS Coherent Acoustics могут быть внесены

только в кодирующий алгоритм и эти изменения будут понятны всем декодерам без

изменений в аппаратной или программной части.

После синхронизации декодер распаковывает сжатый поток аудио битов,

обнаруживает и ,при необходимости, корректирует ошибки передачи,

93

демультиплесирует данные в индивидуальные аудио каналы. Дифференциальные

сигналы от каждой из полос аудио канала перепаковываются в PCM сигналы, и

каждый аудио канал инверсно фильтруется для конвертации во временной сигнал.

Функции DSP блока могут работать как над отдельными полосами на временном

сигнале индивидуальными каналами или по всем каналам. Эти функции включают в

себя образцовое смещение, контроль динамического диапазона, реэквализация и

дифференциальные временные задержки.

ХАРАКТЕРИСТИКИ DTS COHERENT ACOUSTICS1. От 1 до 8 аудио каналов 2. Частоты дискретизации от 8 кГц до 192 кГц на канал 3. От 16-ти до 24-х битное разрешение 4. Коэффициент сжатия от 1:1 до 40:1 5. Полный цифровой поток от 32 кбит/с до 4096 кбит/с 6. Режим компрессии без потерь (с изменяющимся потоком данных 7. Режим декодирования с линейным PCM 8. Смешение n кодированных каналов в n-1, n-2, n-3 и т.д. 9. Смешение из формата 5.1 в матричное стерео LT RT 10. Встроенный контроль динамического диапазона 11. Реэквализация всех каналов независимо 12. Точная синхронизация аудио и внешних видео сигналов 13. Встроенный временной штамп и пользовательские данные 14. Не требующий модернизации в ближайшем будущем декодер

Множественные мультиплексные аудио каналы

Спецификация позволяет демультиплексировать и декомпрессировать сжатое аудио

от одного до восьми каналов из одного потока данных. Битовое распределение для

каждого мультиплексированного аудио канала из общего потока данных может быть

фиксированным или меняться динамически, в зависимости от задачи и сложности

кодера.

Полный поток мультиплексного кодированного аудио может меняться от 32 кбит/с до

4,096 Мбит/с в зависимости от количества параметров поставленной задачи. Эти

ограничения включают в себя, например, число кодированных каналов, сложность и

латентность процесса кодирования, частоту дискретизации исходного PCM аудио,

размер буфера данных декодера. Таким образом такой битовый поток позволяет

DTS Coherent Acoustics использоваться в широком диапазоне аудио и аудио/видео

приложениях, начиная с таких как голосовое аудио телефонного качества, 5.1

формат для саунд-треков при 384 кбит/с и кончая мультиканальным музыкальным

форматом, работающим при очень больших частотах дискретизации и расширенной

точности воспроизведения.

94

Частота дискретизации и длина аудио-слова

Позволенные частоты дискретизации варьируются от 8 кГц на канал до 192 кГц,

обеспечивая широту спектра от 3.5 кГц до 90 кГц. Для приложений, которые

используют фиксированную частоту дискретизации в алгоритм включены D-A

интерполяционные конвертеры-фильтры для подгона частоты дискретизации

исходного PCM аудио до стандартных величин 32, 44.1 или 48 кГц. Кодирующий

алгоритм работает с 40-ка битной точностью над 24-х битными словами. Используя

сгенерированные компьютером 24-х битные тестовые сигналы и 32-х битный

декодер с плавающей точкой, алгоритм DTS Coherent Acoustics может обеспечить

динамический диапазон до 138 дБ.

Более высокие частоты дискретизации и расширенные аудио-слова алгоритма

зарезервированы для следующего поколения профессиональных и hi-end

приложений. В настоящее время все более широко используются 20-ти битные A-D

конвертеры в цифровых записывающих инструментах и все чаще проявляется

желание использовать при профессиональной записи частоты дискретизации 64,

88.2 и 96 кГц. Использование DTS Coherent Acoustics позволяет воспроизводить это

высококачественное аудио дома, используя такие носители, как компакт или лазер-

диски.

Архитектура кодирующей системы. Входные каналы

До восьми дискретных аудио каналов с полным спектром могут подаваться на вход и

быть закодированы в единый мультиплексированный поток данных. Дополнительно

низкочастотные эффекты могут подаваться на кодер в любом режиме.

Предопределение конфигурации каналов показаны в таблице 3. Возможны также

некоторые частные конфигурации.

Таблица 4.2. Режимы аудио кодировок

Число каналов Режимы

1 A (моно)

2 A+B (двойное моно)

2 L+R (стерео)

2 (L+R)+(L+R)

2 Lt+Rt (общ)

3 L+R+C

3 L+R+S

4 L+R+C+S

95

4 L+R+SL+SR

5 L+R+C+SL+SR

6 L+R+CL+CR+SL+SR

6 Lf+Rf+Cf+Lr+Rr+Cr

6 L+R+C+SL+SR+OH

7 L+CL+C+CR+R+SL+SR

8 L+CL+C+CR+R+R+SL1+SL2+SR1+SR2

8 L+CL+C+CR+R+SL+S+SR

Рис. 4.34. Система домашнего кинотеатра.

Sony Dynamic Digital System

SDDS, представленный в августе 1994, - самый новый и наиболее совершенный

цифровой формат звука киноиндустрии.

Разрабатывая SDDS, Sony использовала десятилетия опыта в профессиональном и

домашнем аудио для того чтобы предоставить кинозрителям лучший и наиболее

качественный звук.

SDDS является продуктом нового отделения Sony Corp., организованого специально

для обслуживания потребностей киноиндустрии.

Важным пунктом бизнеса SONY всегда являлось усовершенствование того, как люди

слушают и наслаждаются звуком. Сони разработал лучшие технологии звукозаписи

с такими нововведениями, как компакт-кассета, DAT запись и CD диск. За последние

годы Sony расширила свой бизнес в направлении выпуска качественной

программной продукции как для аудиозаписей, так и для кино.

С приходом Sony в Голливуд и ее связи с киноиндустрией, естественно что Сони

применяет свой значительный опыт в цифровой звукозаписи для улучшения

кинопоказа на широком экране.

96

В то время как все цифровые форматы звукозаписи дают слышимое преимущество

над аналоговыми форматами, которые применялись несколько лет назад, система

SDDS является уникальной по своим возможностям предоставления самого

высокого качества звука. SDDS превосходит другие цифровые форматы в

нескольких важных областях: количество каналов, встроенная цифровая защита

(повтор, кодирование) и техника звукового кодирования. В то время, как другие

цифровые форматы имеют максимум 6 каналов, SDDS может вместить до 8. SDDS

использует более высокий уровень цифрового кодирования или коррекции ошибок

для того чтобы сохранить цифровой звук в местах склейки или дефекта пленки без

заметного перехода к аналоговому (оптическому) звуку. К тому же SDDS использует

собственную технологию снижения информации (шумов), известной как ATRAC,

которая предоставляет совершенное качество, сохраняя каждый канал записи

"незаметным". Когда эти элементы соединены под известным именем Sony,

аудитория слышит звук, который не может быть повторен ни в одном другом

цифровом формате.

SDDS - это система записи звука на пленку которая подрузамевает цифровую

информацию, напечатанную непрерывно в заперфорационном пространстве (другие

цифровые форматы либо помещают информацию в межперфорационном

пространстве либо на отдельном синхронизированном CD диске). SONY выбрала

технологию Sound-on film из за ее простоты, нет дисков, которые могли бы

потеряться и не нужны синхронизирующие системы, которые могут испортиться.

Место звука на пленке было выбрано так, как оно предоставляет наибольщий объем

для непрерывной записи информации.

На самом деле заперфорационное пространство предоставляет примерно в 4 раза

больше места для размешения информации в сравнении с альтернативными

схемами, использующими межперфорационное пространство.

Дополнительная информация используется для повышения качества звука а также

для повышения степени защиты.

Информация SDDS записана на циановом слое, расположенном под тремя

эмульсионными слоями поверхности кинопленки. SDDS использует уникальную

технологию дублирования информации, позволяющую обеспечить безошибочное

воспроизведение звука. Объясняя это просто - каждая сторона пленки имеет

дублирующую информацию ( SDDS инофрмация дублирована на обеихсторонах

пленки). Повреждения на одной стороне пленки автоматически корректируются

97

информацией другой стороны. К томуже информация на обоих сторонах записана с

задержкой 17 кадров. Так что склейка через всю пленку не отразится на звуке.

Аналоговая звукозапись(оптический звук) используется как последняя степень

защиты при той маловероятной ситуации, когда обе стороны пленки сильно

повреждены. Современная технология SONY коррекции ошибок дает возможность

воспроизводить звукозапись в цифровом варианте без неприятных оптических

аналоговых перебоев на местах склеек. Независимые исследования подтверждают,

что SDDS может служит больше 1000 проекций на стандартном проекторе.

SDDS это профессиональный звуковой формат, предназначенный только для

кинотеатров. Его 8 канальная конфигурация с 5 звуковыми акустическими ситемами

за экраном будут не к месту в маленьких системах для домашнего просмотра.

Фактически это уникальное качество дает SDDS возможность удовлетворить

современного зрителя качественным звуком при большеэкранном просмотре. В

отличие от других цифровых форматов, которые быстро выходят на бытовой рынок

со своими технологиями, SONY намерена сохранить SDDS как исключительную

технологию для кинопроката.

Профессионалы киноиндустрии часто оцениваю SDDS как наиболее "аккуратно

звучащий". Прежде всего благодаря своей "скрытой" технологии цифрового

кодирования и способности воспроизводить до 8 каналов. А целью любого звукового

формата - воспроизвести "звуковую атмосферу" фильма для кинозрителей в

точности также, как было услышано в студии звукозаписи при производстве фильма.

SDDS со своим "неслышным" кодированием каналов обеспечивает точное "один-к-

одному" воспроизведение звука в том виде, в котором его одобрил режиссер. Один

конкурирующий цифровой формат использует схему высокой компрессии для

помещения звука в межперфорационном пространстве. Этот формат использует

кодовую технологию, который может вызвать слышымые помехи в некоторых местах

звуковой дорожки.

Каждый цифровой формат требует своего собственного воспроизводящего

оборудования. И поэтому различные цифровые системы кинотеатров не являются

совместимыми между собой. Пленка с SDDS звуковой дорожкой может быть

декодирована только SDDS воспроизводящим оборудованием.

SDDS является наиболее совершенным цифровым форматом и таким образом

использует наиболее изысканное оборудование. SONY изготавливает оборудование

для воспроизведения SDDS по самым высоким механическим стандартам,

98

обеспечивающим многолетнюю эксплуатацию в составе проекционного

оборудования. Кроме того оценка стоимости только одного оборудования может

быть обманчива. Например один из конкурирующих цифровых форматов предлагает

не очень дорогое обрудование, требующее однако дополнительного приобретения

проигрывателей CD дисков. Кроме этого необходимо учесть стоимость производства

и дистрибьюции звукового сопровождения к каждой копии фильма. Это создает

дополнительные затраты.

Tomlinson Holman eXperiment

Не следует думать, что аппаратура или лазерные диски, отмеченные значком "THX",

содержат какие-то новые технологии записи или новые принципы декодирования

фонограмм. Нет, "THX" - это всего лишь требования к определенным техническим

параметрам и совместимости элементов тракта звуковоспроизведения, а также к

наличию у тракта определенных технических возможностей.

Кино

В то время как фонограммы фильмов стремительно совершенствовались

технически и творчески (конец 70-х годов), кинотеатральная аппаратура

звуковоспроизведения (даже та, которая использовалась на стадии создания

фильма) оставалась на уровне 60-х годов.

В это время компания Джорджа Лукаса "Lucasfilm Ltd." выдвинулась на одно из

самых почетных мест в мировой киноиндустрии. Заработав достаточное количество

миллионов, Джордж Лукас решил побороть отставание техники и улучшить качество

звукового тракта в кино. Начал он со строительства собственного целевого

комплекса аппаратных записи и перзаписи (тонстудий). Для управления техническим

обеспечением комплекса, получившего название "Skywalker Ranch", Лукас в 1980

году пригласил Томлинсона Холмана.

На "Skywalker Ranch" Холман руководил оснащением аппаратных записи,

озвучивания и перезаписи, контрольного просмотрового зала на 20 мест и кинозала

ни 300 мест. После того, как удалось улучшить качество звукового тракта,

используемого в процессе создания фонограмм, Лукас и Холиан обратили внимание

на тракт воспроизведения звука у потребителя (на первых порах в кинозалах). Так

появилась программа "THX".

99

Как действует программа "THX"? Компания "Lucasfilm" не производит никакого

кинотетрального оборудования, но выдает лицензии тем кинотеатрам, которые

удовлетворяют определенным требованиям к акустике зала, уровню посторонних

шумов и к используемым усилительным устройствам и громкоговорителям.

Главное, чего добивается комитет "THX", - это получение в кинотеатре именно того

звучания, которое создатели фильма слышали в зале перезаписи.

Программа "THX" подразумевает, что в сертифицированных ею кинотеатах средний

уровень звукового давления един для всех залов: 85дБ для речи. После того, как

специалисты "THX" проверят и отладят аппаратуру и акустическую обстановку

сертифицируемого кинотеатра, комитет проводит ежегодную проверку на

соответствие своим стандартам.

Теоретически кинотеатры с эмблемой "THX" обязаны встретить зрителей

следующими достоинствами звучания:

прекрасной разборчивостью экранного диалога; неискаженной передачей всего динамического диапазона фонограммы, от легкого шепота

до самого громкого взрыва; однородным озвучиванием всех зрительских мест; ровной и широкой частотной характеристикой (бас с 30 Гц с одинаковым уровнем

громкости во всем зале).

"THX" дома

"Home THX" - это не название модели или компонента тракта и даже не название

определенного технического решения. Это программа лицензирования,

предложенная компанием "Lucasfilm Ltd." производителям аудиотехники. "Home

THX" является частным случаем получения "Dolby Pro Logic Surround" дома. "THX

Lucasfilm" не использует лицензию от фирмы "Dolby Laboratories" на применение

"Dolby Pro Logic". Тем не менее, чтобы применить разработанные "THX"

специфические добавки к "Pro Logic", изготовитель "THX"-декодера (рис. ) должен

иметь лицензию от "Dolby". Как видно, обработка сигналов, согласно замыслу "THX",

происходит уже после того, как из декодера "Pro Logic" получены четыре раздельных

звуковых канала.

100

Рис. 4.35. Декодер "Home THX".

Рассмотрим подробнее ключевые особенности подхода "THX" к домашнему

кинотеатру.

1. Дополнительная частотная коррекция.Фонограмма, сведенная под акустические условия кинозала, может звучать слишком резко в домашних условиях, когда размер помещения прослушивания и поглощение высоких частот существенно меньше. Для того чтобы восстановить правильный тембральный баланс, вводится высокочастотная коррекция.

Рис. 4.36. Дополнительная частотная коррекция.

2. Тембральное согласование и декорреляция тыловых акустических систем.Человеческое ухо по-разному воспринимает звуки, приходящие спереди и сзади. Даже если источник звука "панорамирует" с фронтальных АС на тыловые или наоборот (пролетающий над головой самолет), он должен сохранять единую тембральную окраску. Поэтому в тыловой канал эффектов вводится частотная коррекция, обеспечивающая тембральное согласование по пространству. Чтобы не было заметно, что тыловых громкоговорителей только два, а звучание получалось бы более рассеянным, "THX" рекомендует схему декорреляции, которая вырабатывает два некоррелированных сигнала из моносигнала канала эффектов.

Рис. 4.37. Тембральное согласование.

3. Обязателен инфранизкочастотный канал с соответствующим излучателем (сабвуфером) или даже несколькими излучателями.В современных фильмах используется масса звуковых эффектов, содержащих самые низкие часоты.

101

4. Определенные требования к акустическим системам.Сертифицированные "THX" акустические системы должны удовлетворять не только очевидным требованиям к частотным характеристикам, динамическому диапазону и нелинейным искажениям, но и довольно специфическим требованиям к направленности излучения.

Применение излучателей с широкой диаграммой направленности способствует

расширению зоны прослушивания и дает больший эффект объемности (при

двухканальном стереовоспроизведении), но при этом ранние отражения, особенно

от пола и потолка, ухудшают передачу тембров и разборчивость речи. Поэтому в

домашнем кинотеатре "THX" фронтальные АС (левый и правый канал) и АС

центрального канала должны иметь достаточно широкую горизонтальную и узкую

вертикальную направленность. Подобные характеристики направленности, по

мнению "THX", обеспечивают хорошую разборчивость речи, правильность тембра,

аккуратное "панорамирование" и точную локализацию экранных источников звука.

Задача тыловых АС совершенно другая - создать диффузное поле, передающее

акустическую атмосферу, и в то же время в нужный момент выдать "на гора"

спецэффекты. Тыловые АС должны излучать "окружающий" звук, и "THX" считает,

что для этой цели лучше всего подходят дипольные излучатели, которые, однако,

ориентированы на слушателя не передним или задним лепестком, а "нулем". При

этом если расположить их над головой слушателя, он будет слышать практически

только отраженные составляющие звука.

Существует набор требований "THX" для усилителей (мощность не менее 100 ВТ на

реальной нагрузке и другие объктивные характеристики) и даже для соединительных

кабелей, которые должны иметь соответствующую маркировку. Для акустических

кабелей, соединяющих АС и усилитель, введены также требования к электрическому

сопротивлению, емкости и индуктивности.

Передача звука

Общие сведения

По образу звуковых колебаний можно создать электрические колебания с такой же

формой кривой, т.е. с таким же спектром. В этом случае в электрических колебаниях

будет записана та же информация, что и в звуковых колебаниях. Электрическую

копию звука можно передать на большие расстояния, отправить на длительное

хранения ("записать"), во много раз усилить и, наконец, когда это понадобится, вновь

превратить в звук.

102

Рис. 5.1. Общая схема передачи звука с помощью электрических сигналов - электросвязь.

1. На передающей стороне с помощью звуковых волн создается переменный ток, график которого соответствует графику звукового давления, т.е. создается электрическая копия звука.

2. По линии связи (провода, кабели, радиоэфир ...) электрическая копия звука (переменный ток) передается на приемную сторону.

3. На приемной стороне с помощью переменного тока создают звук (по электрической копии восстанавливают звуковой оригинал).

Независимо от способа передачи электрического сигнала в любой системе передачи

звука должны быть переводчики, превращающие звуковые колебания в

электрические и наоборот. Главное требование к переводчику - переводчик не

должен врать.

Задача неискаженной передачи звука имеет три основные части:

1. нужно без искажений преобразовать звук в ток; 2. нужно, чтобы весь спектр сложного тока без изменения прошел по всем электрическим

цепям; 3. нужно, чтобы сложный ток без искажений преобразовался в звук.

Нарушение точности передачи подразделяют на следующие виды:

1. потеря акустической перспективы; 2. смещение среднего уровня сигнала; 3. ограничение частотного и динамического диапазонов; 4. маскировка шумами и помехами; 5. линейные, нелинейные и переходные искажения.

Потеря акустической перспективы получается при передаче акустических

сигналов по одноканальным системам независимо от число микрофонов в месте

нахождения первичного источника звука и громкоговорителей в месте нахождения

слушателей.

Смещение уровней получается из-за того, что слушателю не сообщается значение

среднего уровня первичного акустического сигнала. Поэтому слушатели

устанавливают средний уровень по своему усмотрению. А так как в устройствах

обработки сигналов этот уровень непрерывно меняется, то, как правило,

практически невозможно точно восстановить средний уровень, равный среднему

уровню первичного акустического сигнала. В результате смещения средних уровней

происходит изменение соотношения между громкостями низкочастотных и

среднечастотных составляющих.

103

Тракт передачи сигналов в силу ряда технических и экономических причин

ограничивает частотный диапазон сигнала, для расширения которого и применяют

частотную коррекцию на низких и высоких частотах передаваемого диапазона.

Ограничение динамического диапазона сигнала обычно определяется сверху

появлением перегрузки отдельных звеньев тракта сигналов или возникновением

недопустимых нелинейных искажений, снизу - наличием шумов и помех в этом

тракте. Чтобы избежать ограничения динамического диапазона сигнала, применяют

сжатие его диапазона по возможности до пределов динамического диапазона тракта

передачи. Динамический диапазон сигнала в ряде случаев может быть восстановлен

на приемном конце тракта, но это усложняет приемную аппаратуру, а иногда это и

невозможно (при амплитудном ограничении).

Маскировка шумами и искажения будут рассмотрены далее.

Шумы и помехи в трактах и каналах связи и вещания

Шумы и помехи могут быть как акустического, так и электрического происхождения.

Однако независимо от происхождения их действие сводится к маскировке

вторичного акустического сигнала, которая определяется повышением порога

слышимости по сравнению с прослушиванием в тишине. Если в результате действия

шумов порог слышимости получается не зависящим от времени, то такие шумы (по

акустическим характеристикам) называют "гладкими". К этим шумам относятся

речевые шумы от нескольких голосов, звучащих одновременно.

Если в результате действия шумов порог слышимости изменяется во времени в

зависимости от пик-фактора шума, то такие шумы называют импульсными.

Импульсные шумы не только маскируют полезный сигнал, но и искажают его,

создавая комбинационные частоты шума и сигнала. Получается нечто похожее на

взаимную модуляцию сигнала и шума.

Шумы электрического происхождения имеют спектр, как правило, близкий к

равномерному, а шумы акустического происхождения - ближе к речевому. Частотная

зависимость порога слышимости для первых имеет тенденцию роста к высоким

частотам. Для речевых шумов порог слышимости почти не зависит от частоты.

Индустриальные, атмосферные и станционные помехи, кроме тональных, по их

действию могут быть отнесены и к импульсным, и к гладким с равномерным

спектром или с низкочастотным.

104

Линейные искажения

К линейным искажениям звукового сигнала относятся нежелательные изменения

соотношений между амплитудами частотных сотавляющих сигнала при передаче его

по тракту (изменения фазовых соотношений не играют роли в восприятии

акустического сигнала). Эти искажения называют частотно-амплитудными или

просто частотными.

Одним из показателей тракта передачи сигнала является коэффициент передачи.

Под ним подразумевают отношение звуковых давлений на выходе и входе тракта

при передаче по нему синусоидального сигнала, т.е. К= pГ/рМ, где рМ – звуковое

давление в точке звукового поля, в которой будет находиться центр микрофона; рГ –

звуковое давление на расстоянии 1м от акустического (рабочего) центра

громкоговорителя (для громкоговорящего приема) или в камере искусственного уха

(для телефонного приема). Коэффициент передачи тракта К = КМКЭКГ, где КМ –

чувствительность микрофона; КЭ – коэффициент усиления электрической части

тракта; КГ – чувствительность громкоговорителя или телефона. В идеальном случае

коэффициент передачи К не должен зависеть от частоты, практически же он всегда

зависит от нее, т.е. К=f().

Отклонение частотной характеристики коэффициента передачи от оптимальной,

называемое неравномерностью частотной характеристики тракта, субъективно

вызывает ощущение изменения тембра сигнала. При подчеркивании

высокочастотных составляющих сигнал становится звонким, резким, а при

значительном подчеркивании сигнал становится свистящим и хриплым. При

недостатке высокочастотных составляющих сигнал становится глухим.

Подчеркивание низкочастотных составляющих делает сигнал бубнящим и т.п.

Неравномерность частотной характеристики тракта для передачи художественных

программ оценивают отношением величин максимального и минимального

коэффициентов передачи в заданном диапазоне частот:

М = KMAX/KMIN.    (5.1)

Эту неравномерность обычно выражают в децибелах.

L = 20lgM    (5.2)

Неравномерность частотной характеристики для информационных программ и для

речевой связи определяют относительно оптимальной частотной характеристики

105

для передачи речи. Такой характеристикой принята характеристика с подъемом 6

дБ/октавы в сторону высоких частот в диапазоне 300 ... 3400 Гц и равномерная в

диапазонах 100 ... 300 и 3400 ... 5000 Гц. На рис. 5.2 приведены фактическая и

оптимальная неравномерности в виде отклонений фактической характеристики от

оптимальной.

Рис. 5.2.  Неравномерность частотной характеристики для трактов передачи речи : 1- фактическая; 2 -

оптимальная.

Частотные искажения уменьшают путем коррекции частотной характеристики тракта.

Нелинейные искажения

Нелинейными искажениями называют искажения сигнала, обусловленные

нелинейностью зависимости между вторичным и первичным сигналами в

стационарном режиме. В результате нелинейных безынерционных искажений

входного сигнала синусоидальной формы получается выходной сигнал сложной

формы

y = y0 + v1x + v2x2 + v3x3 + ...    (5.3)

где: x - входная величина; y0 - постоянная составляющая; v1 - линейный

коэффициент усиления; v2, v3 ... - коэффициенты нелинейных искажений.

В системе с нелинейной передаточной характеристикой возникают спектральные

составляющие, которых не было на входе - продукты нелинейности. При подаче на

вход такой системы сигнала с единственной частотой f1 на выходе появятся

составляющие с частотами f1, 2f1, 3f1 и т.д. Если же на вход подается сигнал,

состоящий из нескольких частот f1, f2, f3, ..., то на выходе системы кроме

гармонических составляющих дополнительно появятся и так называемые

"комбинационные составляющие" с частотами n1f1 ± n2f2 ± n3f3 ± ..., где n=1, 2, 3, ...

106

При подаче звуков со сплошным спектром получается также сплошной спектр, но с

измененной формой огибающей спектра.

Нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом нелинейных

искажений, представляющим собой отношение эффективных значений гармоник к

эффективному значению суммарного выходного сигнала

    (5.4)

и измеряется в процентах. Здесь An - амплитуды составляющих с частотами nf.

Приведенная рядом упрощенная формула справедлива для случаев, когда

искажения невелики (К<=10%).

Различают два типа нелинейности: степенную и нелинейность из-за ограничения

амплитуды. Последняя делится на ограничение сверху и ограничение снизу

(центральное). На рис. 5.3 а и б показаны эти виды ограничения. При первом виде

ограничения искажаются только громкие сигналы, при втором - все сигналы, но

более слабые искажаются сильнее, чем громкие.

Рис. 5.3. Виды характеристик амплитудного ограничения: а - ограничение сверху, б - ограничение снизу.

Нелинейность искажения гармонического вида и комбинационных частот ощущается

как дребезжание, переходящее в хрипы при значительном искажении на высоких

частотах. Нелинейные искажения в виде разностных комбинационных частот

вызывают ощущение модуляции передачи.

При сужении полосы частот нелинейные искажения становятся менее заметными.

Переходные и параметрические искажения

Переходными искажениями называют появление "посторонних" составляющих во

вторичном сигнале, обусловленных свободными колебаниями в звеньях тракта.

107

Частоты этих колебаний могут не совпадать с частотами составляющих входного

сигнала. Как и при нелинейных искажениях, появляются комбинационные частоты.

Эти искажения возникают при изменении режима работы тракта, при изменении

амплитуды входного сигнала, а также вследствие инерционности устройств

обработки информации. Слуховое ощущение этих искажений сходно с ощущением

нелинейных искажений.

К параметрическим искажениям относятся автопараметрический резонанс и

детонация. Первый вид искажений наблюдается в громкоговорителях, второй - в

системах записи звука. Автопараметрический резонанс выражается в появлении

колебаний с частотами, кратными дробной величине частоты основного колебания.

Характер этих искажений сходен со звучанием нелинейных искажений на низких

частотах. Детонация сигнала выражается в изменении частоты вторичного сигнала

по отношению к частоте первичного. Эти искажения прослушиваются и виде

"плавания" частоты сигнала, а при быстрых изменениях - в виде хрипов и

дребезжания.

108

Акустика закрытых помещений

Общие сведения

Архитектурная акустика - одна из древнейших областей человеческого знания,

многие века успешно опиравшаяся на интуитивный и эмпирический фундамент,

лишь в конце XIX века стала приобретать черты науки благодаря начавшимся

измерениям взаимосвязи свойств акустических полей с формой помещений и

влиянием психо-физиологических свойств пространственного слуха при восприятии

звука в различных помещениях, а также определению статистическо-

психологических, эстетических и семантических критериев предпочтительности

архитектурно-строительных решений для разнообразных музыкальных программ и

типов личностей слушателей.

Одно лишь неполное перечисление целей, стоящих и поныне перед учеными,

объясняет громадные сложности создания методов инженерных расчетов,

позволяющих еще на стадии проектирования предвосхитить результаты

строительства, а также выработать физико-технические средства - некие

конструкции, обеспечивающие объективно и субъективно однозначно трактуемые

результаты поставленных целей и примененных методов их достижения.

Развитие искусств требовало соответствующих строений для массовых зрелищ.

Термин "театр" и обозначает место, чтобы видеть. Впоследствии появилась

потребность и в месте, чтобы слышать. Изначально архитектурная акустика была

ориентирована на большие и просто огромные открытые сооружения, позже - на

закрытые помещения. Во все времена субъективные суждения о качестве звучания

речи и музыки в том или ином сооружении являлись единственным критерием его

акустического качества. Современные концертные, театральные и кинозалы

оснащаются сложными системами электроакустического формирования звуковых

полей с возможностью управления акустическими свойствами помещения,

аппаратурно и архитектурно оптимально адаптируемых для различных типов

музыкальных программ.

Все достижения науки в области архитектурной акустики используются

преимущественно при проектировании общественных сооружений, то есть

достаточно крупных и дорогостоящих. Методологии изучения и рекомендации для

создания таких уникальных помещений отчасти могут быть использованы и при

109

построении высококачественной комнаты прослушивания - самого дорогого

компонента аудиосистемы. Одни и те же акустические процессы в помещениях

описываются тремя языками - тремя теориями: волновой, статистической и

геометрической.

Все три метода имеют значительную взаимосвязь, дополняя друг друга, если только

одним методом не удастся решить конкретную задачу. Начнем рассмотрение с

самой молодой теории - волновой, переходя к другим по мере надобности.

Волновая теория

Воздух, находящийся в замкнутом объеме, обладает некоторой распределенной

массой. Поскольку плотность воздуха невелика и между его молекулами существует

достаточное расстояние для их перемещения под воздействием внешних сил (под

действием источника звука), постольку распределенная колебательная система

объема воздуха может совершать вынужденные колебания с частотами

воздействующих сил, а также с собственными частотами. После снятия действия

вынуждающих сил (отключение источника звука) колебательный процесс не

прекращается мгновенно, но изменяется его характер: продолжают совершаться

только собственные колебания распределенной воздушной массы, которые

постепенно затухают. Это явление называют отзвуком (реверберацией).

При включенном источнике звука звуковые волны распространяются в различных

направлениях: осевом, касательном и наклонном, отражаются от ограничивающих

помещение поверхностей и, складываясь с прямыми волнами, создают стоячие

волны. Частоты собственных колебаний fn распределенной массы воздуха зависят

от абсолютных размеров помещения, а также соотношений его размеров

(пропорций, рис. 6.1)

    (6.1)

где L, B, H - длина, ширина и высота помещения;

nL, nB, nH - целые числа от нуля до бесконечности, показывающие количество стоячих

волн, возникающих соответственно в направлениях L, B и H.

Частоты собственных колебаний воздуха в помещении располагаются между собой

теснее, а звуковое поле более равномерно, если L, B и H не равны и не кратны друг

другу. Для примера на рис. показан спектр собственных частот помещения с

110

размерами L=6м, B=4м, H=3м. В области низких частот собственные частоты

помещения располагаются достаточно далеко друг от друга, а выше частоты 70 Гц

их число увеличивается и далее спектр собственных колебаний воздуха становится

практически сплошным. Этот физический факт имеет также существенное значение

для семантической и эстетической составляющих при восприятии музыки.

Рис. 6.1

Спектр сложного звукового (музыкального) сигнала может содержать частоты,

которые отсутствуют или которых мало в спектре собственных колебаний воздуха в

помещении. При этом вынуждающее действие источника сигнала вызовет ответное

(в резонанс) колебание воздушной среды на частотах, совпадающих с частотами

источника. Именно эти частоты в звуковом сигнале получат добавочную энергию, а

потому и затухание собственных колебаний воздуха будет продолжаться дольше. Те

спектральные составляющие сигнала, частоты которых не совпадут с собственными

частотами помещения, не получат дополнительной энергии отзвука помещения и

будут маскироваться теми спектральными составляющими, которые удачно попали в

резонанс с собственными частотами помещения:

Это явление может (но не обязательно, как будет показано далее) вызвать

изменение тембра и четкости восприятия музыки, особенно в области низких частот.

Формула (6.1) дает следующие частоты, что и отображено на рис. 6.2:

111

Рис. 6.2

для помещения 6 х 4 х 3,2 м: 28; 42; 51; 57; 69; 71; 76 Гц; 74; 87; 93 Гц. Резонансные

частоты даже небольших помещений достаточно низкие, чтобы не ограничивать

себя малогабаритными АС, если абстрагироваться от коммерческих рекламных

тестов.

Волновая теория показывает, что плотность спектра п, т.е. количество собственных

частот уменьшается при уменьшении объема помещения:

    (6.2)

где V, м3 - объем помещения; fn и fn - центральная частота и ширина интервала, в

пределах которого производится определение п.

На рис. 6.3 приведена зависимость количества собственных частот n от частоты

сигнала fn при fn = 10 Гц для помещений объемом 26, 135 и 400 м3 (соответственно

кривые 1, 2, 3). Из рис. 6.3 видно, что только для очень маленьких помещений

плотность спектра собственных частот мала, причем на самых низких частотах, что

действительно свидетельствует о неравномерности звукового поля в них. Однако

влияние этого явления на слуховые ощущения будет разным при вариациях

положения источников звука и слушателя в помещении, а тем более изменении

акустической обработки поверхностей. Существенную роль играет также тип

излучателей АС.

112

Рис. 6.3

Не следует пренебрегать влиянием ближнего поля на низких частотах, т.к. именно

низкочастотные компоненты сигнала приводят к особенно сильному изменению в

восприятии звуков музыки при вариациях расстояния до источника звука. Поскольку

слуховой орган человека в некоторой степени реагирует на колебательную скорость

частиц воздуха, то при этом возникает ощущение расстояния до КИЗ, т.е. ощущение

глубины трехмерного пространства саундстейджа. В аудиосистемах, неспособных

передавать низкий и четкий бас, саундстейдж может находиться близко или в

удалении, но обычно плоский, хотя отдельные КИЗ в нем могут быть достаточно

четко очерчены в плоскости за счет средних и высоких частот, что дает ясное и в

меру прозрачное звучание, но лишает слушателя естественного пространственного

ощущения, т.е. музыканты и их инструменты как бы висят в неопределенном

свободном пространстве без стен и пола, что, вероятно, редко встречается в жизни.

Прозрачность, ясность - различимость звуков отдельных инструментов или групп

инструментов даже в присутствии отзвука помещения, т.е. реверберации.

Пространственное впечатление - осознанное ощущение соотношения между

интенсивностью звука источника (КИЗ) и приходящих со всех направлений звуковых

отражений от ограничивающих помещение поверхностей, т.е. снова отзвука

помещения.

Реверберация - процесс затухания звука на месте прослушивания, отображающий.

размеры, форму, гулкость помещения. Процесс реверберации характеризуется

временем стандартной реверберации Тео, определяемым как время после

отключения звукового сигнала, за которое средняя плотность звуковой энергии Е в

помещении уменьшается в миллион раз (уровень энергии уменьшается на 60 дБ)

относительно своего установившегося значения.

Для небольших помещений и для частот ниже 4000 Гц время стандартной

реверберации определяется формулой Эйринга для ср>0,2:

113

    (6.3)

где S - площадь поверхности, м2; ср - в общем случае частотно-зависимый средний

коэффициент звукопоглощения, характеризующий совокупные свойства различных

материалов поверхностей помещения.

Коэффициент звукопоглощения показывает, какая часть звуковой энергии,

переносимой звуковой волной, поглощается при падении этой волны на

поверхность:

;     (6.4)

Формула Эйринга относится уже к статистической теории акустики помещений и

выведена в предположении, что звукопоглощающие материалы распределены по

поверхности равномерно и имеют одинаковый коэффициент И, что обеспечивает

достаточную диффузность звукового поля в помещении. Диффузным называют

такое звуковое поле, в котором выполняются условия однородности и изотропности:

усредненная во времени плотность звуковой энергии во всех точках одинакова; все

направления прихода звуковой энергии в любую точку помещения равновероятны, и

по любому направлению усредненный поток звуковой энергии одинаков.

Статистическая теория

В реальных условиях небольшого помещения, когда источники звука (АС)

неодинаково удалены от различных поверхностей, нельзя считать равной

вероятность падения звуковых волн на различные участки поверхностей. Отражения

волн от поверхностей приходят в точку прослушивания с разными временами

задержки отзвука tз, на которые оказывают значительное влияние не только форма и

размеры помещения, но также наличие или отсутствие структурирования

поверхности, особенно вблизи АС. Необходимость дифференцированного

рассмотрения направления отдельных отражений с учетом их tз, свидетельствует о

вступлении в силу геометрической теории акустики помещений. Достоверность

методов геометрической теории тем выше, чем меньше длина волны

распространяющегося звука по сравнению с линейными размерами помещения:

     (6.5)

Требование (6.5) совпадает с условиями обеспечения диффузного распространения

и отражения звуковых волн в статистической теории: все линейные размеры 114

помещения L, В и H должны быть больше длины волны н самой низкой частоты

сигнала:

    (6.6)

т.к. обычно H<B<L.

Очевидно, что традиционные комнаты прослушивания не удовлетворяют условиям

(6.5) и (6.6), а потому применимость для них результатов статистической и

геометрической теорий весьма затруднительна.

Спасибо диалектике, мы можем обратить недостатки малых помещений в

достоинства. Именно тем, что находимся всегда в ближнем поле АС: для частоты 16

Гц ближнее поле простирается на 21 м, для 30 Гц - на 11 м, для 100 Гц - на 3,4 м.

Необходимо чтобы аудиосистема воспроизводила как можно более низкочастотный

диапазон. Только тогда маленькая комната как бы раздвинется, удлинится.

Захочется закрыть глаза и уменьшить яркость освещения, чтобы глубина звуковой

иллюзии не опровергалась зримой действительностью. Осталось всего ничего:

получить четкий, точный и потому комфортный звук. А заодно объяснить, почему на

разных CD и LP по-разному записан бас и т.д. Когда мы слушаем музыку при

закрытой двери, ведущей из комнаты прослушивания в соседнее помещение, то звук

имеет один характер, а при открытой двери - другой. Аналогично и с открыванием и

закрыванием окна. Еще заметнее? В теории акустики помещений такие помещения

называются акустически связанными.

Можно ли считать студию, в которой, например, играет джазовое трио, и из которой

через микрофон и усилитель подается сигнал на АС, стоящие прямо в вашей

комнате, считать помещением, также связанным с комнатой, как и кухня? Конечно,

можно, только связь такая называется электроакустической. Кухня с комнатой

прослушивания связаны через открытый дверной проем. Меньше дверь - меньше

связь, больше дверь - больше связь. В случае «электро» + «акустической» связи

роль двери играет «электро». начиная от микрофона, кабелей, предусилителей,

кабелей, усилителей, кабелей, АС. Если на этой «электродороге» встретятся еще

пульт звукозаписи, магнитофоны и т.п., то это никак не увеличит размер

«электродвери» на пути звука в вашу комнату прослушивания (вторичное

помещение) из студии (первичное помещение). Следует учесть, что в состав

«электро» входят еще плейер компакт-дисков, либо транспорт и DАС отдельно,

предусилитель, усилитель мощности и все соединяющие их звуковые линии, то

бишь кабели, интерконнекты и т.д. Причем каждый из перечисленных компонентов

115

звукового тракта может оказать решающее воздействие на качество электрического

сигнала от микрофона, который имеет также конечное качество.

Рис. 6.4. Схематическое изображение канала звукопередачи из первичного помещения (ПП) во вторичное

(ВП).

В первичном помещении источник звука И3 создает некоторое звуковое давление р1,

которое воздействует на микрофон М. В точке расположения микрофона звуковая

волна создает давление р2, поскольку отклик ПП тоже влияет на величину р2. Вы уже

знаете, что такой отклик называют реверберацией. Форма и размеры ПП, его

акустическая обработка на разных частотах проявляют себя по разному. Поэтому

давление р2 содержит в себе семантическую и эстетическую информацию от

действия р1 И3, а также некоторую дополнительную информацию об акустических

свойствах ПП. Совокупный акустический сигнал р2 воздействует на микрофон, от

которого в виде электрического сигнала поступает в электронный технологический

тракт. В студийном тракте сигнал записывается, затем переносится на носитель

записи (СD или LР) и в таком законсервированном виде поступает в электронный

тракт слушателя, где «консервы» закладывают в читающий аппарат и через АС

создают во ВП звуковое давление р3, которое (в идеале) должно соответствовать

звуковому давлению р2. В силу того, что ВП тоже обладает некоторыми

инерционными и резонансными свойствами, происходит взаимодействие р2 с

акустическими конструкциями в объеме ВП, вследствие чего р3 изменяется,

приобретая значение р4 в точке нахождения слушателя СЛ.

В случае акустически связанных помещений их связь правильнее назвать

взаимосвязью, т.к. она имеет двусторонний характер. В случае электроакустической

связи возможно только одностороннее влияние, т.е. ВП не может повлиять на ПП, в

то время, как свойства первичного помещения будут влиять на качество звука во

вторичном помещении - комнате прослушивания. Любой слушатель в этом

убеждается, если слушает трансляцию оперного спектакля, либо запись,

выполненную в маленькой студии.

116

Итак, логически показано, что процесс реверберации во вторичном помещении

будет зависеть от акустических свойств как первичного, так и вторичного

помещений. Рассмотрим сначала процессы нарастания и затухания звука только для

одного помещения, не учитывая пока влияния второго.

Как известно, музыкальный сигнал представляет собой случайный процесс

нерегулярной формы, непрерывно меняющийся во времени. В любом случае время

нарастания и время спада какого-либо минимального семантического фрагмента

музыкального сигнала имеют некоторое конечное значение. Между такими

фрагментами существуют и паузы различной длительности. В первичном

помещении под воздействием таких звуковых фрагментов, создаваемых

музыкальными инструментами, образуется первичное звуковое поле. Это поле также

нарастает и спадает не мгновенно, но пропорционально времени нарастания и

затухания звуков отдельных инструментов. Очевидно, что отзвуки от ограждающих

поверхностей помещения взаимодействуют со звуками, вызвавшими их, но с

некоторым запаздыванием, равным времени пробега звуковой волны до

ограждающих поверхностей. При этом часть энергии звука поглощается на этих

поверхностях.

Если ИЗ имеет акустическую мощность Pa площадь поверхности помещения S, а

коэффициент поглощения ср, то в стационарном режиме такой источник сможет

создать плотность энергии ср, (при непрерывном режиме работы):

    (6.7)

Процесс нарастания звуковой энергии во времени описывается в виде:

    (6.8)

Процесс затухания звуковой энергии во времени описывается в виде:

    (6.9)

Из (6.8) и (6.9) следует, что процесс нарастания и спада звуковой энергии в

диффузном звуковом поле происходит по экспоненциальной кривой. Скорость

нарастания и спада увеличивается пропорционально росту ср и отношения S/V.

Поскольку S/V является функцией формы и размеров помещения, постольку и

117

скорость нарастания и затухания звуковой энергии в помещении определяется

этими факторами.

Прежде, чем появится отзвук помещения, в ближней зоне сначала будет слышен

прямой звук от источника. Время, необходимое для того, чтобы прямой звук

источника достиг слушателя, находящегося от него на расстоянии lпр:

    (6.10)

В силу действия так называемого «закона первой волны» направление прихода

звука определяется звуковым сигналом, поступившим к слушателю раньше других.

Вслед за прямым сигналом придут его ранние отражения. Однако правильная

локализация КИЗ сохраняется даже в том случае, когда энергия отражений в 10 раз

превышает энергию прямого звука, если время запаздывания этих отражений не

превышает 30 мс, что уже рассматривалось в разделе «Основные свойства слуха».

При большом среднем коэффициенте поглощения (ср > 0,5) в прямой волне

заключается до 60% всей энергии. Именно этот фактор обеспечивает чет- кость

резких и энергичных звуков и прозрачность звучания музыки. Среднее время

свободного пробега волны до ограничивающих поверхностей помещения по

статистической теории является величиной, полученной из вероятностных

рассуждений:

    (6.11)

и равной среднему интервалу времени между двумя последовательными

отражениями звука.

Средняя длина свободного пробега волны до ограждающих поверхностей

составляет:

    (6.12)

Среднее число отражений за единицу времени:

    (6.13)

Формулы (6.11), (6.12), (6.13) не противоречат результатам экспериментов.

Числовой коэффициент 4 существенно зависит от гармоничности (в смысле чисел

Фибоначчи) размеров помещения, т.е. его формы.

118

Если значение ср << 0,5 (например ср = 0,05), то громкость звуков в помещении в

установившемся режиме возрастет за счет интенсивных отражений, но этот процесс

установления может оказаться более медленным, чем темп даже быстрой музыки,

что способно нарушить четкость ее восприятия.

Через некоторое время после включения источника звука время t0,5 или плотность

звуковой энергии в помещении t0,5 =TR достигнет значения половины общей

плотности звуковой энергии, возможной в стационарном режиме (L0,5 = -З,дБ):

    (6.14)

Автор этой формулы В. Йордан называет это время TR характеризующим качество

звучания музыки в студиях и залах. Фактически оно определяет соотношение

энергий - прямой и отраженной от ограждающих поверхностей помещения.

Итак, мы вплотную приблизились к определению времени нарастания tн звуковой

энергии в помещении. Очевидно, что оно может быть получено из совместного

рассмотрения формул (6.7) и (6.9). Но рассмотрим сначала рис. 6.5.

На рис. 6.5.а показан звуковой импульс, создаваемый источником звука. Этот

импульс - прямой сигнал. Он начинается в момент t1 и заканчивается в момент t2

имея максимальную плотность энергии пр. Помещение вносит свой отзвук, и общая

плотность энергии общ изменяется в соответствии с формулой (6.8) (рис.6.5, б) от

момента t1 в течение времени нарастания tн, пока общ не достигнет значения 0,9 от

ст, определяемого из выражения (6.7).

119

Рис. 6.5, в отображает тот же процесс, но только в логарифмическом масштабе по

оси ординат, т.е. в уровнях плотности энергии. Отличие ст от 0,9ст составляет около

0,5 дБ, что не превышает порога чувствительности слуха (1 дБ) к изменению

громкости. Поэтому традиционное определение времени нарастания импульса на

уровне 0,9 от максимального применимо и для времени нарастания tн, плотности

звуковой энергии на уровне 0,9ст, что не противоречит порогу слухового ощущения и

составит при d = 0,9 ст/ст= 0,9:

    (6.15)

Процесс затухания звуковой энергии (6.5) в помещении после прекращения в

момент t2 действия звукового импульса происходит также по экспоненциальной

кривой (рис. 6.5, б) и длится в течение времени tp, которое называется временем

реверберации или отзвука. Определяется tp по аналогии с tн, но при d = 0,1ст/ст =

0,1, т.е. на уровне 0,1 от ст:

    (6.16)

В случае действительно диффузного звукового поля все описанные процессы

нарастания и затухания звуковой энергии происходят по экспоненциальной кривой.

Формула Эйринга (6.3) является частным случаем (6.16).

120

Рис. 6.6 Рис. 6.7

Рис. 6.8

Практические наблюдения за процессами нарастания и затухания звуковых

импульсов различной длительности представлены на рис. 6.6...6.8. Из рис. 6.6 и 6.7

видно, что очень длинные импульсы (350 мс) и нарастают, и спадают далеко не по

экспоненте. Особенно это заметно на процессе затухания, когда в первые 10...30 мс

происходит резкий спад уровня: на 5 и 13 дБ в зависимости от удаления от

источника звука. Аналогичное явление наблюдается и для импульса длительностью

50 мс. Очевидно, что в пределах начального участка реверберационного процесса

нет идеальной изотропности звукового поля, поэтому иногда подобное явление

называют нестационарной диффузностью. Полная диффузность на начальном

этапе реверберации вообще недостижима.

Радует то, что это и не требуется. Даже наоборот, необходимо некоторое

преобладание прямого звука для правильной локализации КИЗ, а также выделения

слухом ранних боковых отражений, определяющих пространственность звучания,

чего не произойдет, если выполнить установку АС по ранее упомянутым

рекомендациям «АМ». Исследования нестационарной диффузности приводят

поэтому к необходимости привлечения методов геометрической теории акустики

помещений.

121

Теперь вернемся к электроакустически связанным помещениям (рис. 6.4). Очевидно,

что через микрофон все (в идеале) акустические процессы нарастания и затухания

звука в первичном помещении попадают на АС во вторичном помещении. Если

считать электронный технологический тракт идеальным, то из АС должен быть

воспроизведен сигнал р3, тождественный сигналу р1. Очевидно также, что реакция на

действие сигнала р3 на вторичное помещение будет происходить в соответствии с

теми же закономерностями, которые уже нами рассмотрены, т.е. сигнал р1 прежде,

чем поступит к слушателю в виде р4 дважды претерпевает процессы нарастания и

затухания.

В формулах (6.8) и (6.9) можно для удобства дальнейшего рассмотрения выделить

показатель затухания звуковой энергии в единицу времени:

    (6.17)

Процесс затухания плотности энергии во вторичном помещении будет

осуществляться в виде:

    (6.18)

где индексы «1» относятся к первичному, а индексы «2» - ко вторичному помещению,

т.е. для (6.18): 1; S1; V1; ср.1; 2; S2; V2; ср.2; соответственно.

На рис. 6.9 показаны процессы затухания звуковой энергии во вторичном

помещении, если звуковой импульс создан в нем без участия электронного тракта,

т.е. без влияния первичного помещения (кривая 1). На том же рисунке показана

кривая 2 отображающая процесс затухания звуковой энергии во вторичном

помещении с учетом влияния первичного, т.е. по формуле (6.18), когда звуковой

импульс передается из ПП по идеальному электронному тракту. Обе кривые

нормированы: 32(t)/ст.2. Наибольшее отклонение (-3 дБ) кривых происходит на

начальном участке до 1,5t. Слух воспринимает это в виде увеличения времени

результирующей реверберации за счет дополнительной задержки звука во

вторичном помещении.

122

Рис. 6.9 Рис. 6.10

Итак, затухание звука во ВП определяется акустическими свойствами обоих

электроакустически связанных помещений. Процесс затухания не отображается

экспоненциальной кривой. В логарифмическом масштабе (рис. 6.10)

результирующая кривая затухания 3 отзвука во ВП всегда расположена выше

каждой кривой, отображающей процессы затухания в первичном (1) и вторичном (2)

помещениях.

На рис. 6.10 показан случай, когда T60(1)<T60(2) 1>2. В этом случае избыточная

реверберации T60(1) во ВП может существенно исказить звук, поступающий из ПП.

Такой случай имеет место в спортзале, в котором играет громкая музыка.

Для традиционных малых помещений обычно соблюдаются соотношения 2>1 и

T60(2)<T60(1),что обеспечивает преобладание прямой энергии на начальном участке

реверберационного процесса. Это способствует четкости и ясности звуков музыки.

Но при этом может нарушиться пространственное впечатление из-за того, что и

прямая энергия, и реверберационные отклики ПП будут слышны только из зоны,

находящейся за АС, но не будут поддержаны отзвуками ВП вокруг слушателя.

Возвратимся к рис. 6.6...6.8, хорошо коррелирующим со слуховым опытом: влияние в

начальном периоде реверберационного процесса прямой энергии источника звука

обнаруживается слухом в виде расхождения восприятия реверберации с ее

стандартным значением. Это особенно наглядно видно на рис. 6.7. Субъективно

воспринимаемая реверберация носит название эквивалентной реверберации Тэкв. В

академических учебниках она рассматривается с привлечением понятия

акустического отношения R, введенного В.В. Фурдуевым:

123

    (6.19)

где отр и пр - соответственно плотности энергий отраженного и прямого звука, Дж/м3;

г - расстояние от источника звука до слушателя, м; остальные обозначения уже

применялись ранее.

Рис. 6.11

На рис. 6.11 показана зависимость R от объема помещения (кинозала) для первого

(3), среднего (2) и последнего (1) рядов. Видно, что при уменьшении объема

помещения R растет, несмотря на то, что расстояние до источника звука для всех

трех случаев становится меньше. Это свидетельствует о том, что диффузная

энергия отр при уменьшении объема помещения растет значительно быстрее, чем

прямая энергия пр.

С учетом (6.19) выражение для эквивалентной реверберации выглядит так:

    (6.20)

При R > 3 отличие Тэквот Т60 незначительно.

Для связанных помещений результирующая эквивалентная реверберация

определяется по эмпирической формуле М.А.Сапожкова:

    (6.21)

где индексы «1» «2» относятся к значениям реверберации соответственно ПП и ВП.

Поскольку, слушая музыку, записанную в различных условиях, мы не знаем Т1экв, то

можно ориентироваться лишь на типовые значения времени реверберации для

студий и концертных залов.

124

Плотность прямой энергии при ненаправленном источнике звука определяется в

виде:

    (6.22)

где Рa - акустическая мощность источника, Вт.

Плотность отраженной энергии:

    (6.23)

Если решить (6.22) и (6.23) совместно и относительно r, то окажется, что на

некотором расстоянии r=rгул прямая и диффузная энергии  пр =  диф. Это растояние

называют радиусом гулкости:

    (6.24)

Рис. 6.12

На рис. 6.12 показана номограмма для определения тенденции изменения rгул для

различных объемов помещений V и видов звукопоглощения cрS.

Формулы (6.22) и (6.24) выведены в предположении применимости для этого

статистической теории акустики помещений. Однако такое предположение приводит

125

на практике к существенным ошибкам, поскольку сам логический принцип четкого

проведения границы между прямой и отраженной энергиями в диффузном поле

невозможен. Или это поле не диффузно. Вероятно, поэтому rгул используется

преимущественно в учебных изданиях.

Для практического применения рекомендуется формула (6.25), определяющая

расстояние rдиф от источника звука, на котором начинается преобладание

отраженной энергии:

    (6.25)

На этом расстоянии при полной диффузности отраженного звука уровень звукового

давления должен оставаться постоянным, а при неполной диффузности - может

меняться в разных зонах помещения. По формуле (6.25) можно более точно судить о

выполнении условия применимости методов статистической теории реверберации,

нежели по (6.24).

По исследованиям Л. Кремера время, в течение которого (после выключения

источника звука) завершается формирование диффузного поля в помещении,

определяется в виде:

    (6.26)

За время tдиф звуковые волны отражаются столько раз, что на интервал времени

длительностью 10 мс приходится не менее 20 отражений. Значение tдиф хорошо

коррелирует со временем TR=t0,5 которое тоже характеризует временную границу

между прямой и диффузной энергиями. За время 12 мс в лаборатории «SAS»

наблюдаются по крайней мере две группы ранних отражений от потолка, которые

увеличивают так называемый индекс ясности C80. Положение АС, выбранное по

слуху, хорошо коррелирует по этому времени с rдиф. Потолочные отражения не

увеличивают пространственного впечатления, но и не оказывают маскирующего

действия на отражения от боковых стен, первые две группы отражений от которых в

лаборатории «SAS» доходят до места прослушивания за 9 мс, т.е. немного раньше

потолочных, и поэтому не маскируются ими, благоприятствуя богатому

пространственному эффекту, поскольку приходят с направлений максимальной

чувствительности ушей слушателя. Все эти эффекты изменяются при изменении

положения АС с различной скоростью. Существуют эффекты, пороговое значение

слухового восприятия которых при перемещения АС составляет 0,5 см; есть

126

эффекты, порог слухового ощущения которых составляет 2...5 см; встречаются

эффекты и с еще более грубым порогом порядка 20...40 см.

Геометрическая теория

Выше была рассмотрена важность реверберационных явлений в закрытых

помещениях и их влияние на процессы ощущения и восприятия звуков. Очевидно,

что чрезмерно малое или большое время реверберации плохо сказывается на

качестве воспринимаемого звучания. Но очевидно и то, что, вероятно, есть значение

времени реверберации, которое наиболее благоприятно для восприятия звуков

музыки. Такое время реверберации называют оптимальным (Топт). Субъективное

восприятие Топт требует и экспериментального статистически усредненного его

определения. Топт оказалось зависимым от пропорций размеров помещения, т.е.

формы и объема, от частоты, а также типа источника звука и характера

музыкального произведения. Экспериментальные попытки определить Топт

сопровождались теоретическими поисками.

Рис. 6.13

На рис. 6.13 показаны зависимости оптимального времени реверберации от объема

концертных залов. Кривая 1 построена на основе теоретических изысканий С.Я.

Лифшица, который при выводе формулы (6.27) показал, что время реверберации в

различных по объему помещениях должно быть таким, чтобы произведение уровня

громкости LG на время спадания (затухания) звука Тp в данных помещениях

оставалось величиной постоянной, т.е. Тp*LG = const.

(6.27)

Как и любая математическая модель, построение С.Я. Лифшица не учитывает

исчерпывающе, например, временных свойств слуха и возможных различий

интенсивностей прямых и отраженных звуков на их восприятие.

127

На основании анализа Майера и Тиля, проведенного для безупречных с

акустической точки зрения концертных залов, получена эмпирическая формула

(кривая 2 на рис. 6.13):

(6.28)

Сравнивая кривые 1 и 2, можно заметить, что теоретические рекомендации

несколько превышают экспериментальные при уменьшении объема залов.

Для залов с объемом V = 200...300 м3 рекомендуется Топт около 1 с, определяемое по

эмпирической формуле (кривая 3 на рис. 6.13):

(6.29)

Многие исследователи предлагали иные модели зависимости Топт от объема

помещений, но тенденции поведения кривых Топт в большинстве случаев

приближались к рис. 6.13.

Влияние на Топт характера исполняемой музыки также существенно. Например, для

современной музыки Топт = 1,48с, для классической Топт=1,54 с, для романтической

Топт = 2,07 с. Эти значения усреднены для большой группы слушателей, эстетичсские

вкусы которых, разумеется. различны в соответствии с их психологической

типизацией. Установлено также, что на каждого слушателя должен приходиться

объем от 7 до 12 м3 при прослушивании музыкальных программ.

Весьма важное значение имеет зависимость Топт от частоты звука. Для

обыкновенного слушателя, живущего в помещении с заданным объемом, остаются

лишь два-три основных способа управлять акустическими свойствами помещения:

во-первых, за счет изменения частотных свойств Топт с помощью звукопоглощающих материалов.

во-вторых, изменение диффузности звукового поля посредством рассеивающих конструкций:

в-третьих, изменяя структуры ранних отражений посредством установки отражающих звук элементов.

Электронные способы управления акустическими свойствами помещений оставим

для тех, кто увлекается домашним театром.

Зависимость Топт от частоты должна быть такой, чтобы отдельные составляющие

сложных музыкальных звучаний взаимно не подчеркивались и не подавлялись. С.Я.

Лифшиц полагал, что это требование можно выполнить при сохранении условия

Тp*LG = const для всех частотных составляющих музыкальных звучаний.

128

При рассмотрении свойств слуха было отмечено, что уровни ощущения Е различных

частотных составляющих натуральных звучаний различны. Влияние этого фактора

следует обязательно учитывать при проектировании комнаты прослушивания.

Также там рассмотрены кривые равной громкости (рис. 2.2), повторенные для

удобства на рис. 6.14.

Рис. 6.14 Рис. 6.15

Из рис. 6.14 следует, что при неизменном значении уровня интенсивности LI уровень

громкости LG изменяется с изменением частоты обратно пропорционально K(f):

(6.30)

где коэффициент K(f) рассчитан по кривым рис. 6.14, а его зависимость от частоты

отображена на рис. 6.15.

Рис. 6.16 Рис. 6.17

Если же учесть, что LI натуральных источников звука также имеет существенную

частотную зависимость (рис. 6.16), то для сохранения постоянства Тp*LG

необходимо, чтобы время реверберации Тp было обратно пропорционально

отношению (6.30). Определяя значения K(f) и LI для каждой из частот по рис. 6.14 и

6.16, можно получить зависимость оптимального времени реверберации Топт от

частоты по критерию Лифшица (кривая 1, рис. 6.17) для музыкальных программ. 129

Многие другие исследователи получали экспериментальные и теоретические

выводы, отраженные в виде кривых: 2 - для речи, 3 - для музыки (Кнудсен); 4 -

(Дрейзен); 5 - (экспериментальная кривая датского радиовещания); 6 - (Моррис и

Никеди).

В. Кнудсен полагал, что для обеспечения высокого качества звучания все частотные

компоненты сигнала должны затухать до порога слышимости к одному и тому же

времени.

И. Дрейзен исходил из того, что флуктуации процесса затухания звука в помещении

на всех частотах должны находиться на одинаковом уровне слухового восприятия.

Рис. 6.18. Оптимальная частотная характеристика Т, определенная при музыкальных испытаниях в студии

3, Радиохусет, Копенгаген, объем около 1400 м3.

Рис. 6.19. оптимальная частотная характеристика Т, определенная в результате испытаний Бекеши в

радиовещательной студии в Будапеште, объем около 400 м3.

Рис. 6.20. Оптимальная частотная характеристика Т, полученная во время строительства студии 2,

Радиохусет, Копенгаген, объем около 2400 м3.

Л. Контюри, пожалуй, единственный, кто указывал на опасность маскировки

звучаний низкими частотами, рекомендуя для классической музыки прямолинейную

частотную характеристику Топт, а для эстрадной музыки уменьшенное значение Топт

на низких и высоких частотах. Однако большинство частотных характеристик Топт в

реальных залах с хорошими акустическими условиями имеют тенденции к подъему

Топт ниже 200 Гц и выше 2000 Гц, что отображено на рис. 6.18...6.20. В. Йордан даже

настаивает на том, что повышение Топт на высоких частотах имеет большее

значение, нежели на низких, т.к. звучание деревянных духовых, а также струнных 130

инструментов менее энергично, чем звучание мощных медных и ударных

инструментов, максимум спектра которых находится в диапазоне 100...300 Гц,

вследствие чего медные и ударные инструменты могут подавлять, маскировать

звучание менее мощных инструментов. Для устранения этого явления В. Йордан

полагает необходимым, чтобы частотная характеристика Топт была обратно

пропорциональна энергетической зависимости этой наиболее мощной группы

инструментов оркестра, т.е. имела меньшее значение на частотах 300...800 Гц (рис.

6.20). При распространении звука оркестра над головами сидящих слушателей

происходит его частотно зависимое поглощение в области 150...200 Гц, что

несколько улучшает (но далеко не всегда) энергетический баланс для слушателей,

расположившихся дальше 6 - 8 рядов. Но обычно такой провал в частотной

характеристике требует повышения Топт на низких частотах.

Недостатки акустического проектирования иногда приводят к многократным

переделкам залов. Например, зал филармонии в Нью-Йорке после открытия в 1962

году перестраивался пять раз. Ни одна из перестроек не оказалась

удовлетворительной. Лишь в 1976 году после предварительных измерений на

специально подготовленной в меньшем масштабе модели первоначальная

облицовка интерьера была полностью удалена и осуществлена полная

реконструкция зала, обошедшаяся в 6 млн. долларов. Такова цена ошибок

проектирования. Именно в нью-йоркской филармонии среди прочих акустических

недостатков был впервые выявлен «эффект слушательских мест» - значительный

провал в области частот вблизи 150 Гц. Снова, как видите, диалектические

противоречия: для одной части слушателей этот эффект приводит к ухудшению

звучания, для другой - к некоторому улучшению.

Тем не менее теоретические (объективные) и экспериментальные (субъективные)

методы анализа частотных характеристик Топт сходятся на том, что снижение Топт на

низких частотах ухудшает пространственное впечатление. Снижение Топт на высоких

частотах ухудшает прозрачность, ясность звучания.

До сих пор мы вели речь о влиянии на Топт объема и частотной характеристики

помещения, а также на изменения в качестве звучания музыки при вариации этих

параметров. Но и все компоненты аудиосистемы оказывают косвенное и прямое

влияние на частотный и амплитудный баланс передаваемого через систему

музыкального сигнала (см. рис. 6.16). Очевидно, что, изменив баланс (намеренно

или же случайно, например, из-за несовершенства компонентов), мы изменим

131

пропорции громкости звучания отдельных инструментов или группы инструментов

относительно общей громкости оркестра.

Следует заметить, что разделить понятия баланса и тембра весьма затруднительно,

т.к. одни и те же музыкальные инструменты субъективно воспринимаются по

разному при изменении их расстановки, в то время как их собственные объективные

тембры, разумеется, остаются неизменными. Поэтому следует ввести более

глобальное понятие тембра как интегрального восприятия составляющих спектра

звука музыкального источника на месте прослушивания. Применительно к

проблемам акустики помещений это понятие характеризует степень влияния свойств

помещения прослушивания на изменения типичного тембра какого-либо источника

звука (в том числе типичного по составу и расположению инструментов оркестра).

Следует заметить, что баланс тембров (окраска звучания) определяется

соотношением энергии низких и высоких частот. Субъективная оценка тембрального

баланса зависит от типизации психофизиологических особенностей слушателей:

одни предпочитают «светлое», «легковесное» звуковое поле, где преобладают

высокие частоты, другие - «темное», «фундаментальное» звуковое поле с

преобладание низких частот.

Можно назвать правильный тембральный интегральный музыкальный баланс

квазистационарным фундаментом, обеспечивающим устойчивую макродинамику

звукопередачи аудиосистемы, т.е. сбалансированность значительных изменений

громкости звучания оркестра во всем его частотном диапазоне. Причем

макродинамика любого компонента аудиосистемы определяется его способностью

передавать неискаженно как можно более низкие частоты, причем термин

«неискаженно» подразумевает не только амплитудные, но и фазовые соотношения.

На этом я делаю категорический акцент. Для обеспечения такой макродинамики

совершенно непригодны, например, усилители мощности, имеющие полосу

пропускания по низким частотам даже 10...20 Гц (-ЗдБ). Это относится и к

предусилителям в не меньшей степени. Концепция определяет в качестве

необходимой и достаточной полосу пропускания по низким частотам для

электронных компонентов 0...0,5 Гц (-3 дБ). Очевидно, что таким требованиям могут

удовлетворять весьма немногие транзисторные усилители. Среди ламповых  только

«Maestro Grosso».

Следует заметить, что выходное сопротивление как линейных, так и усилителей

мощности в диапазоне частот начиная от 0,1 Гц не должно превышать 0,2...0,5 0м

132

без ООС. Как правило, усилители мощности на лампах имеют ограничение снизу 20

Гц (-3 дБ), причем при наличии ООС. Посмотрите в сводные таблицы параметров

усилителей любого журнала: там вы не найдете выходного сопротивления, скорости

нарастания сигнала (их стыдно обнародовать), зато 20 Гц (-3 дБ) - наиболее

распространенная частота среза ламповых усилителей. Чтобы по этому по воду ни

говорили «субъективисты», в лаборатории при непосредственном сравнении с

«Maestro Grosso» становится ясно, что объективные параметры таких усилителей,

увы, субъективно слышны как однозначно ущербные и для звука, и поэтому для

музыки. И совершенно невозможно это скрыть, пытаясь назвать работу таких

усилителей «вовлекающей» или «музыкальной». Именно таким якобы «хайэндным»

усилителям мы обязаны тем, что АС «гудят» на басах, а им охотно вторят

недостаточно заглушенные на низких частотах маленькие комнаты прослушивания.

Как видите, невозможно рассматривать акустику помещений в отрыве от остальной

части аудиосистемы.

Еще одной причиной, по которой аудиосистемы должны быть максимально

низкочастотными, является субъективный эффект боковых отражений. При

достаточной эффективности всей аудиосистемы на низких частотах у слушателя

возникает ощущение «погружения» в звуковое поле, ему кажется, что он охвачен

звуком со всех сторон. При этом ширина и глубина саундстейджа превышают

расстояния по базе между АС и между АС и стеной сзади АС, т.е. комната

прослушивания «акустически увеличивается». Правда, АС непременно должны быть

установлены параллельно малой стене комнаты, т.е. их акустические оси должны

быть перпендикулярны малой стене.

Расчет расположения АС и слушателя в комнате

Размеры комнаты под названием «золотой кубоид» рекомендованы AES (Audio

Engineering Sosiety): 10' х 16' х 26' = H x B x L = 3,05м x 4,9м х 7,93м. Такие пропорции

основаны на так называемых числах Фибоначчи, в частности на «золотом сечении»,

когда отношение одного размера к другому имеет числовое значение, близкое к

0,618034:

Для лаборатории SAS размеры H x B x L = 2,56м х 3,05м х 5,25м (на рис. 6.21

указаны в скобках) гармонизированы по другим значениям чисел Фибоначчи:

133

Для примера приведена таблица иррациональных отношений, основанных на

аддитивном ряде чисел Фибоначчи, посредством которых можно гармонизировать

не только комнаты прослушивания, но и любые изделия и конструкции. В частности

посредством таблицы этих чисел гармонизированы все элементы усилителя

«Maestro Grosso». Успешная реализация концепции дизайна в сложной

пространственной композиции была бы невозможна без таблицы чисел Фибоначчи

(табл. 6.1).

Таблица. 6.1. Числа Фибоначчи.

1,000 0,730 0,553 0,403 0,279

0,944 0,691 0,528 0,382 0,249

0,897 0,653 0,472 0,361 0,223

0,854 0,618 0,451 0,326 0,202

0,764 0,583 0,428 0,292 0,112

Вернемся к комнате прослушивания с пропорциями по AES. Джордж Кардас

предложил способ определения положения АС и слушателя, основанный также на

числах фибоначчи (размечено черным цветом на рис. 6.21). Для лаборатории SAS

голубым цветом показано расположение АС и слушателя, если руководствоваться

способом Кардаса. Красным цветом показано фактическое, оптимизированное по

слуху расположение АС и слушателя.

Если проанализировать табл. 6.2, где приведены расчеты fn по (6.1), то видно

неслучайность выбора по слуху расположения АС и слушателя.

Таблица 6.2.

№  nL  nB nH nL, Гц , м /3, м для "SAS"по Cardas

для "SAS"по слуху

примечания

1 1 0 0 32 10,70 3,55 - - -

2 0 1 0 56 6,10 2,03 2,09 2,101,90

АС - слушательАС - стена

3 1 1 0 64 5,33 1,78 - -  -

4 0 0 1 67 5,09 1,70 - -  -

5 1 0 1 74 4,61 1,54 1,58 -  -

6 0 1 1 87 3,92 1,31 1,37 1,35 между АС

7 1 1 1 93 3,67 1,22 - 1,25 слушатель - задняя стена

Для того, чтобы не попадать в пучности звуковых волн в помещении, требуется

выбирать такие значения относительныхрасстояний между АС, слушателем и АС.

134

стенами и АС, слушателем и стеной, чтобы эти расстояния были близки к /З

относительно главных мод (частот) звуковых волн, определяемых по (6.1) и

представленных в табл. 6.2.

Рис. 6.21

Расстояния от АС до боковых стен:

1. Расчет по Кардасу для SAS-LаЬ:

0,276 x B=0,276 x 3,05 = 0.84м;

2. Фактическое по слуху для SAS-Lab:

0.85м = Н/3= 2,56/3.

Расстояние между АС:

1. Расчет по Кардасу для SAS-LаЬ:

В - 2 x 0,276 x В = 3,05 - 2 x 0,276 x 3.05 = 1,37м;

2. Фактическое по слуху для SAS-LаЬ:

1,35м; (1,35/Н = 0,527, ближайшее число Фибоначчи 0,528).

Расстояние от слушателя до АС:

135

1.Расчет по Кардасу для SAS-LаЬ:

L -2 x 0,618 x Н = -5,25 - 2 x 0,618 x 2,56 = 2,09м;

2. Фактическое по слуху для SAS-LаЬ:

2,1м (2,1/Н = 0,82; ближайшее число Фибоначчи 0,854).

Расстояние от слушателя до задний стены:

1. Расчет по Кардасу для SAS-LаЬ:

0.618 x Н = 0,618 x 2,56 = 1,58 м:

2. фактическое по слуху для SAS-LаЬ:

1,25м (1.25/Н = 0,488; ближайшее число Фибоначчи 0,472).

Позади слушателя сложено наибольшее количество стройматериалов, что

значительно увеличивает звукопоглощение в этой части лаборатории, что, видимо,

привело к смещению оптимальной зоны для слушателя.

Расстояние от АС до стены:

1 Расчет по Кардасу для SAS-LаЬ:

0,618 x H =  0,618 x 2.56 = 1,58м:

2. Фактическое по слуху для SAS-LаЬ:

1.9м (1.9/Н = 0,742; ближайшее число Фибоначчи 0,73).

Как видно, слуховой контроль дает оптимальное расположение АС и слушателя,

когда знаешь, что и как контролировать. Числа Фибоначчи вполне адекватно

показывают точность слухового аппарата для оптимизации зоны прослушивания в

лаборатории SAS. Читатели, опираясь на изложенный материал, смогут проверить

его применимость в своих комнатах прослушивания.

Расчет расположения акустики в комнате

По адресу

http://dod.miem.edu.ru/NPT/Npt_01/uhf_a0/uhf_a0f0/uhf_a0f0b0/uhfa0f0b0c.htm

находится скрипт, который производит расчет расположения акустики в комнате.

Глоссарий

Скрипт, реализующий глоссарий, находится по адресу:

http://dod.miem.edu.ru/NPT/Npt_01/uhf_a0/gloss.htm

136