Основные сведения из акустики

Акустика — учение о звуке. Звук — это субъективное восприятие упругих колебаний, распространяющихся в окружающей среде. Звуковые колебания характеризуются вы­сотой, громкостью и тембром.

Высота звука (в музыке — тон) характеризуется час­тотой звуковых колебаний. Единица измерения частоты ко­лебаний — герц (Гц), соответствует одному колебанию в се­кунду. Из огромного многообразия существующих в природе звуков человеческий слух воспринимает лишь те, частота ко­торых составляет от 16 до 20000 Гц.

Самый низкий тон рояля имеет частоту колебаний 27,5 Гц, а самые большие трубы органа издают звуки частотой при­мерно 16 Гц. Это самый низкий тон, который еще способен воспринимать человек. На нижней границе слухового воспри­ятия трудно понять, слышим ли мы звук или воспринимаем колебания воздуха всем телом. Эта область звуковых частот сопровождает грозы и ураганы, извержения вулканов и зем­летрясения. Такие звуки издавна оказывали сильное эмоци­ональное воздействие на психику человека, на его подсоз­нание.

Если акустическая система радиоаппаратуры не в состо­янии воспроизводить низкочастотные колебания с достаточ­ной громкостью, то воспроизведение будет лишено естествен­ности и реальности. Следует иметь в виду, что воспроизве­дение самых низких звуковых частот представляет серьез­ную техническую проблему и доступно лишь для очень доро­гой аппаратуры. Звуки частотой колебаний ниже 16 Гц назы­ваются инфразвуками.

Верхняя граница слухового восприятия лежит между частотами 16000—20000 Гц. Человек воспринимает такие зву­ки как свист или писк. Если акустическая система не будет воспроизводить высокие частоты, то исчезает окраска зву­ка, без чего невозможно отличить звучание разных музы­кальных инструментов. Частоты выше предела слышимости относятся к области ультразвуков.

Громкость звука — это субъективное ощущение орга­ном слуха силы звука. Она определяется амплитудой колеба­ний источника звука: чем больше амплитуда, тем сильнее звук. В электроакустике принято выражать звуковое давле­ние логарифмическими единицами — децибелами (дБ).

Уровень шума в тихом читальном зале составляет 30 дБ, при обычной беседе — 50 дБ, громкость двигателя мотоцик­ла — 90, удара грома — 120 дБ, реактивный самолет — 140 дБ. Звук громкостью 120 дБ принят за порог болевого ощущения.

Тембр звучания или окраска звука определяется набо­ром обертонов (призвуков) разной частоты и амплитуды, со­провождающих основной звук. Обертоны появляются вслед­ствие резонанса отдельных деталей музыкального инстру­мента. Так одновременно с колебанием струны гитары колеб­лется дека, днище, обечайка, гриф, которые генерируют призвуки, отличные по частоте от основного тона. Совокуп­ность этих колебаний формирует обертоновую структуру тем­бра. Тембр может быть ярким, звонким, тусклым, мягким и певучим. Благодаря тембру мы узнаем по звуку на слух на­звание музыкального инструмента.

Различают звучание моно-, стерео— и квадрафоническое.

Монофоническое звучание характерно для одноканальной системы передачи звуковой информации через микрофон, уси­литель и громкоговоритель. Недостатком является то, что за­писанная микрофоном реальная звуковая панорама, состоящая из нескольких источников звука, воспроизводится как бы из одной точки. Здесь нет ясности о расположении источников звука в пространстве, отсутствует реальная звуковая картина.

Стереофоническое звучание предполагает двухканальную систему распространения звуков. Для ее реализации нужны два микрофона, двухканальный усилитель и две ко­лонки. Колонки располагаются на некотором расстоянии друг от друга. Это расстояние называется стереобазой.

Стереофоническое звучание создает эффект присутствия. Слушатель может легко определить расположение отдельных источников звука, проследить за их перемещением по "фрон­ту" слева направо и наоборот. Стереофоническое звучание не в состоянии передать полной звуковой картины, так как необ­ходима еще ориентация в направлении "фронт-тыл".

Квадрафоническое звучание предполагает четырехканальную запись информации через четыре микрофона, расстав­ленные вокруг источников звука, усиление через четырехканальный усилитель и воспроизведение через четыре зву­ковые колонки, расставленные по углам комнаты. Квадра­фоническое звучание создает эффект полного присутствия в центре звуковой картины.

Комплектующие изделия электронной аппаратуры

Комплектующие изделия — это устройства, которые не могут быть использованы отдельно от основного аппарата (тюнера, плеера, рекордера). К ним относятся микрофоны, электроакустические звукоизлучатели (громкоговорители, акустические системы, наушники), усилители сигналов зву­ковой частоты, эквалайзеры и др.

Микрофоны

Микрофоны служат для преобразования звуковых коле­баний в электрические сигналы. Любая звукозапись, прямая радиопередача или озвучивание зала всегда начинаются с микрофона. Микрофоном комплектуются многие звукозаписы­вающие устройства, например магнитофоны и видеокамеры.

Основными электроакустическими параметрами микрофо­нов являются чувствительность и номинальный диапазон частот.

Чувствительность — это отношение напряжения на клем­мах микрофона к величине звукового давления, воздейству­ющего на диафрагму микрофона. Чем выше чувствительность микрофона, тем более слабый звук он способен преобразо­вать в электрические колебания.

Номинальный диапазон частот определяется полосой зву­ковых частот, которые микрофон может преобразовать без заметных искажений в электрические колебания.

По принципу действия микрофоны могут быть динами­ческие и электретные. Следует отметить, что чувствитель­ность электретных микрофонов примерно в 2 раза выше, чем у динамических. У динамических микрофонов диапазон час­тот ограничен и находится в пределах 40-16000 Гц. У элект­ретных микрофонов он простирается от 20 до 20000 Гц, т. е. охватывает весь частотный диапазон звуков, слышимых че­ловеком.

По оформлению микрофоны могут быть в виде обычной головки с ручкой, в виде миниатюрной приколки для галсту­ка, в виде авторучки, а также встроенные в магнитофоны, диктофоны и видеокамеры. Микрофоны могут быть с соеди­нительным шнуром и беспроводные. У беспроводных микро­фонов в корпус вмонтированы миниатюрные радиопередат­чики, работающие в диапазоне ультракоротких волн.

Обозначение микрофонов состоит из букв МД (микро­фон динамический), МКЭ (микрофон конденсаторный электретный) и числа, определяющего номер разработки. Напри­мер, МД-52СН — микрофон динамический. Буква "С" или "S" в конце означает, что микрофон стереофонический, Н — настольный.

Звукоизлучатели

К электроакустическим звукоизлучателям относятся го­ловки громкоговорителей, абонентские громкоговорители, акустические системы, наушники.

Головкой громкоговорителя, или динамиком, называет­ся электроакустическое устройство, преобразующее элект­рические сигналы звуковой частоты в звуковые колебания. К важнейшим параметрам, характеризующим функциональные свойства динамиков, относятся номинальный диапазон час­тот и выходная мощность.

Номинальный диапазон частот — полоса воспроизводимых звуковых частот без заметных искажений. Чем ближе диапазон воспроизводимых частот к полосе 20-20000 Гц, тем выше есте­ственность и верность звучания. Если этот диапазон шире, чем 30-15000 Гц, то воспроизведение музыкальных произведений считается отличным, если в пределах этого диапазона, но не уже 50-10000 Гц — хорошим, если в пределах этого диапазо­на, но не уже 100-6000 Гц — удовлетворительным.

Выходная мощность — наибольшая электрическая мощ­ность, при которой динамик воспроизводит звук без замет­ных искажений. Номинальная мощность головок может быть от 0,1 до 100 Вт. Считается, что 1 Вт выходной мощности громкоговорителя достаточен для нормального озвучивания жилой площади размером 10 м².

В зависимости от диапазона воспроизводимых звуковых частот головки громкоговорителей подразделяют на низкочас­тотные, среднечастотные, высокочастотные и широкополосные. Отличаются они диаметром диффузора: у низкочастотных го­ловок он составляет от 150 до 300 мм, у среднечастотных от 40 до 120 мм. Диаметр диффузора высокочастотных динамиков "пищалок", "твитеров" находится в пределах от 10 до 50 мм.

Головки громкоговорителей вместе с акустическим офор­млением (корпус, звукопоглотители, решетки) называются абонентскими громкоговорителями. Они предназначены для озвучивания квартир через трансляционную сеть, Абонент­ские громкоговорители могут быть одно- и трехпрограммные.

Однопрограммный громкоговоритель состоит из корпу­са, в котором находится звуковоспроизводящая головка, со­гласующий трансформатор для трансляционной сети напря­жением 15 или 30 В, регулятор громкости, и соединительно­го шнура с вилкой.

Трехпрограммный громкоговоритель содержит дополни­тельно приемник прямого усиления. Первую (основную) про­грамму громкоговоритель воспроизводит как обычный абонентский громкоговоритель, без расхода электроэнергии. Для приема второй и третьей программ, передаваемых по прово­дам на высоких частотах (78 и 120 кГц), требуется питание от сети переменного тока.

Абонентские громкоговорители в зависимости от диапа­зона воспроизводимых частот подразделяют на три группы сложности: первую, вторую и третью.

Недостатком громкоговорителей является ограниченный диапазон звуковых частот. Отдельный громкоговоритель не может воспроизвести звуковое поле, которое в природе со­здается множеством источников звука.

Акустические системы, или звуковые колонки, обычно состоят из нескольких динамиков и акустического оформле­ния. Чтобы обеспечить равномерное воспроизведение всего диапазона звуковых частот, в колонках применяют совместно низкочастотные (16—200 Гц), среднечастотные (200-5000 Гц) и высокочастотные (5000-20000 Гц) головки. Наиболее каче­ственные колонки могут раздельно воспроизводить две-три полосы звуковых частот.

Чем больше размер колонки, тем более низкие звуко­вые частоты она может воспроизводить. Чтобы довести ниж­нюю границу частот до уровня 20-30 Гц, объем колонки до­водят иногда до 200 л. Заполнение корпуса звукопоглотите-лями (пористой резиной, поролоном и стекловатой) дает воз­можность уменьшить объем колонки на 30%, не ухудшая ее акустических свойств. С целью снижения уровня шумов внутри колонок устанавливают наклонные перегородки, устраивают лабиринты для воздушных потоков.

Для улучшения воспроизведения басов в современных ко­лонках применяют фазоинверторы. Фазоинвертор представля­ет собой трубу определенного сечения и длины, вставленную в отверстие на передней или задней стенке колонки. Фазоинвер­тор выводит звуковые колебания низких частот, излучаемые задней стороной диффузора динамика, на переднюю панель, при этом громкость низкочастотных колебаний заметно возрас­тает. На рис. 2. показаны основные типы корпусов колонок.

Рис. 2. Основные типы корпусов колонок:

а) закрытый; б) с фазоинверторным отверстием спереди;

в) с фазоинверторным отверстием сзади; г) с лабиринтом

Потребительские свойства акустической системы (АС) определяются амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), которая выражает зависимость звукового давления от часто­ты подводимого сигнала. АЧХ обычно отображается графи­чески на передней панели колонки.

По характеру функционирования колонки могут быть ак­тивные и пассивные. Активными называют колонки с соб­ственным усилителем мощности. Большой спрос на активные колонки возник в связи с широким распространением мини­атюрных проигрывателей дисков и кассет (плееров) и компь­ютеров, которые обычно не имеют собственных мощных уси­лителей. Подключение к ним активных колонок позволяет про­слушивать высококачественное звучание без наушников. Пас­сивные колонки предназначены для подключения к усилите­лю сигналов звуковой частоты.

В зависимости от значения параметров АС подразделя­ют три группы сложности: высшую, первую и вторую. Мощ­ность АС может быть от 3 до 100 Вт.

Одной из разновидностей акустических систем являются сабвуфер, который представляет собой колонку с одним или двумя низкочастотными динамиками. Основное назначение саб­вуфера — дать мощное и сочное воспроизведение басов на частотах 16—30 Гц. Сабвуфер позволяет не только прослу­шать, но и прочувствовать всем телом звучание самых низ­ких звуков: натуральные раскаты грома, рев морского штор­ма, взлет самолета и др.

Сокращенное обозначение колонок состоит из четырех элементов, например, 25АС-021 — это акустическая систе­ма, мощностью 25 Вт, 0 — высшей группы сложности, 21 - номер разработки.

Наушники — это миниатюрные головки громкоговори­телей. Для плотного прилегания к ушным раковинам науш­ники комплектуются мягкими прокладками — амбушюрами. Наушники имеют ряд преимуществ по сравнению с громко­говорителями. Корпуса наушников непосредственно соприка­саются с ушной раковиной, поэтому для получения даже са­мых громких звуков требуется незначительная мощность в пределах нескольких милливатт. Это позволяет подключать наушники непосредственно к источникам электрических сиг­налов (тюнерам, плеерам и др.). Наушники позволяют про­слушивать весь спектр звуковых частот от 20 до 20000 Гц с минимальным уровнем искажений.

Стереоэффект, создаваемый наушниками, выявляется намного сильнее, чем при прослушивании звуковых колонок, так как сигнал с левого излучателя не слышен правым ухом и наоборот.

Однако использование наушников представляет опреде­ленную опасность для органов слуха. Звуковое давление, со­здаваемое наушниками может превышать уровень 120-130 дБ, что приводит к серьезной травме органов слуха.

По конструкции наушники бывают открытого типа, зак­рытого типа и сверхминиатюрные, в виде вкладышей в уши.

По качеству звуковоспроизведения наушники могут быть монофонические и стереофонические, с регулятором гром­кости и баланса.