Аппаратура для преобразования и усиления звука

Независимо от способа записи и воспроизведения звука в комплект звуковоспроизводящей аппаратуры входят (в виде самостоятельного элемента или составной части) микрофоны, усилители и громкоговорители.

Слушатель, прослушивающий звуковую программу через один громкоговоритель, теряет часть информации, содержащейся в звуковой волне. Для него звуки всех инструментов оркестра кажутся исходящими из одной точки. Такой способ звукопередачи называется монофоническим. Он используется в монофонических радиоприемниках, телевизорах и т.д. Монофоническое звуковоспроизведение не позволяет передать информацию о локализации источника звука.

Бинауральный эффект лег в основу создания систем объемного звучания – стереофонической, квадрофонической и др.

Объемность звучания в стереофонической системе достигается за счет записи (и последующего воспроизведения) пространственного источника звука с двух различных точек. При этом запись осуществляется с каждой точки записи по своему независимому каналу. Различие между каналами определяется временем достижения звуком точек записи.

На рис. 11 приведена функциональная схема двухканальной системы стереофонической звукозаписи.

Звуковое поле источника звука воспринимается двумя микрофонами, подвергается усилению и воспроизводится двумя громкоговорителями. Максимальная локализация источников звука в стереофонической системе достигается прослушиванием фонограммы через стереонаушники, так как в этом случае звук от левого канала попадает в левое ухо слушателя, а от правого – в правое. При использовании двух громкоговорителей каждое ухо слушателя воспринимает звук от обоих громкоговорителей. В этом случае стереоэффект ослабевает.

Рис. 11. Функциональная схема двухканальной системы стереофонической звукозаписи: 1 – микрофон, 2 – усилитель, 3 – громкоговоритель, 4 – зона стереоэффекта

Слушатель, находящийся в зоне стереоэффекта, ощущает объемность звука. Возникает возможность определить направление на источник звука. Качество звучания улучшается, повышается его естественность. При стереофоническом звуковоспроизведении менее заметны на слух частотные и нелинейные искажения.

Двухканальная стереофония нашла широкое применение в радиовещании, механической, магнитной и оптической записи звука.

Микрофоны. Микрофоном называется устройство, преобразующее звуковые колебания в электрические. В настоящее время микрофоны находят широкое применение в качестве входного элемента в системах звукового вещания (радиовещания, телевидения), звукозаписи, звукоусиления, в концертно-театральной аппаратуре, медицине, измерительной технике и др. Звуковые колебания, воспринятые микрофоном, преобразуются в электрические, подвергаются усилению и воспроизводятся громкоговорителем. Основными параметрами микрофонов являются номинальный диапазон частот, чувствительность и характеристика направленности.

Современный микрофон представляет собой сложное устройство. Пример одной их конструкций микрофона показан на рис. 12. Он включает в себя капсюль электростатического типа, предусилитель, защитный экран, систему амортизаторов для крепления капсюля, разъемы, корпус с защитной решеткой и др.

Рис. 12. Общий вид конденсаторного микрофона

Номинальный диапазон частот – частотный диапазон, в котором определяются параметры микрофона. Для современных высококачественных микрофонов, он задается равным 20–20000 Гц. Внутри этого диапазона определяются зависимость чувствительности от частоты и другие параметры.

Чувствительность – определяет способность микрофона преобразовывать акустическое давление в электрическое напряжение. Она определяется отношением сигнала на выходе микрофона (напряжения – U, B) к сигналу на входе микрофона (звуковому давлению Р, Па.):

(В/Па)

Чувствительность современных микрофонов находится в пределах от 8 мВ/Па до 40 мВ/Па.

Частотная характеристика чувствительности (ЧХЧ) микрофона – зависимость чувствительности или уровня чувствительности от частоты в номинальном диапазоне частот (рис. 13).

Рис. 13. Форма частотной характеристики чувствительности с коррекцией низких частот

Неравномерность частотной характеристики – разность максимального и минимального значений уровня чувствительности в номинальном диапазоне частот. Обычно ЧХЧ высококачественных микрофонов обладает минимальной неравномерностью (± 2 дБ), это является одним из главных индикаторов качества микрофонов, поскольку определяет степень неискаженной передачи тембра источника. В некоторых случаях, например для записи речи и вокала, делается подъем на ЧХЧ в области 2–8 кГц с целью увеличения разборчивости. Кроме того, в большинстве современных микрофонах предусмотрена возможность коррекции АЧХ на низких частотах (рис. 14) для записи в условиях шумов, а также для коррекции подъема ЧХЧ на низких частотах при приближении к источнику звука (этот эффект свойственен только направленным микрофонам).

Характеристика направленности – зависимость чувствительности микрофона на заданной частоте от угла падения звуковой волны. Перепад чувствительности, «фронт-тыл» – разность между уровнями чувствительности микрофонов, измеренными при углах приема 0° и 180° и заданной частоте. Чем больше разность, тем более точно в сторону источников звуков следует направлять микрофон, тем меньше посторонних звуков он будет воспринимать.

Выбор микрофонов с различными характеристиками направленности определяется условиями записи: расположением источников (например, инструментов в оркестре), шириной звуковой панорамы, уровнем шумов в окружающем пространстве, стремлением получить специальные звуковые эффекты и др.

Все микрофоны по этому параметру могут быть разделены на три группы: ненаправленные; двунаправленные и однонаправленные.

Ненаправленные микрофоны – приемники давления. Если условно изобразить микрофон в виде гибкой диафрагмы в корпусе с жесткими стенками, то переменное звуковое давление от источника звука будет воздействовать на диафрагму с одной стороны (рис. 14, а).

Рис. 14. Типы микрофонов: а) приемник давления; б) приемник градиента давления; 1 – корпус с жесткими стенками; 2 – гибкая диафрагма

Характеристика направленности такого микрофона представляет собой шар, в центре которого находится микрофон (рис. 15), т.е. чувствительность микрофона одинакова для всех направлений прихода звуковой волны. Такой микрофон называется ненаправленным, или приемником давления.

Ненаправленные микрофоны находят широкое применение в звукозаписи, особенно для записи звуков окружающего пространства и шумов, а также для записи вокала, так как у них отсутствует эффект «близости», который всегда существует в направленных микрофонах.

Рис. 15. Полярная диаграмма для разных частот ненаправленного микрофона

Двунаправленный микрофон – приемник градиента давления: схематически принцип работы микрофона – приемника градиента давления показан на рис. 14, б. В таком микрофоне обеспечен доступ звуковой волны как к передней, так и к тыльной части мембраны (так как в корпусе микрофона имеются отверстия для доступа звуковых волн к тыльной части мембраны). При этом мембрана находится под действием разности (градиента) сил, отсюда зависимость чувствительности от угла падения имеет вид, показанный на рис. 16.

Микрофоны с такой характеристикой направленности чувствительны к звуковым волнам, падающим вдоль оси, и практически нечувствительны к звуковым волнам, падающим под углом 90° к оси. Они находят широкое применение в стереозаписи.

Односторонне направленные микрофоны находят широкое применение в системах звукозаписи музыки и речи, особенно при наличии шумов и помех, а также в системах звукоусиления.

Ненаправленная («круг»)	Двунаправленная («восьмерка»)	Кардиода	Односторонне направленная (суперкардиода)	Гиперкардиода

Рис. 16. Основные виды характеристик направленности микрофонов

Направленные микрофоны обладают таким свойством, как зависимость их уровня чувствительности от расстояния до источника (при расстояниях меньше длины волны) на низких частотах (рис. 17). Это свойство называется «эффектом близости».

Рис. 17. Вид ЧХЧ для разных расстояний от источника

В связи с этим при использовании направленных микрофонов на близких расстояниях необходимо учитывать при записи подъем частотной характеристики на низких частотах. Ненаправленные микрофоны не имеют этого эффекта, их форма частотной характеристики от расстояния не зависит.

Различают: электромагнитные, динамические, ленточные, конденсаторные и электретные микрофоны. Электромагнитные микрофоны – наиболее надежны, но обладают недостаточно высокими качественными характеристиками. Наиболее высокими характеристиками обладают конденсаторные микрофоны, однако это сложные и дорогостоящие приборы. В условиях школы наибольшее распространение находят электродинамические (рис. 18) микрофоны. Под действием звуковых волн, воспринимаемых легкой диафрагмой 4, звуковая катушка 3 колеблется в магнитном поле, созданном постоянным магнитом 2. При этом в звуковой катушке наводится электродвижущая сила (ЭДС). Для повышения величины ЭДС, развиваемой микрофоном, в микрофон часто встраивается усилитель. Дальнейшее усиление сигнала осуществляется с помощью внешнего усилителя мощности.

Рис. 18. Конструкция (а) и условное графическое обозначение (б) электродинамического микрофона: 1 – зазор в магнитной цепи; 2 – постоянный магнит, 3 – звуковая катушка,
4 – диафрагма

При использовании микрофона в системе звукоусиления возможно самовозбуждение системы, проявляющееся в виде свиста. Звуковые колебания, воспринятые микрофоном, после усиления излучаются громкоговорителем. Если звук, излученный громкоговорителем, попадает в микрофон, то он вновь усиливается, вновь излучается до тех пор, пока не возникает непрерывный «вой» в громкоговорителях. Для устранения самовозбуждения необходимо располагать микрофон так, чтобы излучаемые громкоговорителем звуковые колебания не попадали в него. Самовозбуждение можно устранить путем уменьшения усиления или создания спада в области низших и высших частот в аппаратуре звукоусиления.

Качество микрофонов как входного звена в значительной степени определяет качество всего звуковоспроизводящего тракта в целом, поэтому к микрофонам предъявляются очень жесткие требования:

• по техническим параметрам (динамический диапазон 130–140 дБ, частотный диапазон не менее 20–20000 Гц, коэффициент нелинейных искажений больше 1 % и др.);

• по надежности (так как микрофон подвергается воздействиям вибраций, влажности, перепада температур и др.);

• по качеству звучания (сохранение тембра при передаче музыки различных жанров, пения, речи и др.) Данный параметр зависит от величины коэффициента гармонических искажений (задается <0,5%).

Для согласования с усилителем мощности необходимо учитывать величину выходного электрического импеданса (модуля полного электрического сопротивления), в большинстве современных конденсаторных микрофонов он находится в диапазоне 50–200 Ом, у динамических микрофонов до 600 Ом. При этом входное сопротивление предусилителя должно быть больше выходного сопротивления микрофона в 5–10 раз и обычно составляет 1000–2000 Ом. При таком соотношении сопротивлений обеспечиваются наименьшие потери при передаче сигналов в кабеле.

Кроме указанных выше электроакустических параметров, задается рабочий диапазон изменения температуры и влажности окружающей среды, внутри которого чувствительность не должна изменяться более чем на ±2 дБ. Электродинамические микрофоны всех групп сложности имеют рабочий диапазон, как правило, от – 40 до +50° по температуре и 95% влажности при 20°, конденсаторные от – 10 до +35° и 85% влажности при температуре 20°.

Усилители. Предназначены для повышения мощности электрических сигналов звуковой частоты, поступивших от различных источников (микрофон, проигрыватель компакт дисков, магнитофон, и др.) до любого необходимого нам уровня. Усилители выпускаются в виде отдельных блоков, а также входят, как узел, в состав любой аппаратуры записи-воспроизведения звука. В виде отдельных блоков выпускаются различные по назначению усилители.

Выбор типа усилителя определяется составом комплекта имеющейся аппаратуры, а также требованиями к качеству звуковоспроизведения.

Важнейшими характеристиками усилителей являются: полоса воспроизводимых частот, величина искажений, число каналов усиления, выходная мощность.

Громкоговорители – устройства, предназначенные для преобразования электрических колебаний звуковой частоты в акустические колебания среды – слышимый звук. Громкоговорители входят в состав звуковоспроизводящей аппаратуры (магнитофоны, радиоприемники, телевизоры и т.п.), а также выпускаются в отдельном корпусе, в виде акустической системы. В связи с тем, что энергетические возможности колебаний, при прочих равных условиях, целиком зависят от частоты, технически невозможно изготовить громкоговоритель, одинаково хорошо воспроизводящий весь диапазон звуковых частот. Поэтому выпускается целый ряд громкоговорителей, каждый из которых предназначен для работы в своем ограниченном диапазоне частот.

Для обеспечения высокого качества воспроизведения звука в широком диапазоне частот применяют специальный комплект громкоговорителей (из двух и более) – акустическую систему. Каждый громкоговоритель системы работает в ограниченном диапазоне частот, что достигается применением специальных электрических фильтров.

Низкочастотные головки воспроизводят диапазон частот от 20–50 Гц до 1000–2000 Гц. Они имеют значительные размеры. Среднечастотные головки предназначены для звуковоспроизведения в диапазоне от 500–1000 Гц до 3000–5000 Гц. Высокочастотные головки работают в диапазоне от 3000–5000 Гц до 15000–25000 Гц. Мощность среднечастотных и высокочастотных головок меньше, чем у низкочастотных. Это объясняется тем, что в реальном звуковом сигнале максимальную энергию несут звуки низших частот.

Громкоговоритель состоит из двух основных частей: головки и акустического оформления. Акустическое оформление повышает качество воспроизведения звука. Головки могут быть различны по конструкции и принципу действия. Наибольшее распространение получили электродинамические головки прямого излучения (диффузорные). Устройство головки показано на рис. 19. При протекании тока по звуковой катушке 5, находящейся в магнитном поле, катушка перемещается, увлекая за собой диффузор 1. Колебания диффузора создают звуковые волны. Если к звуковой катушке подвести синусоидальное напряжение, то колебания диффузора также будут синусоидальными.

Рис. 19. Устройство (а) и условное графическое обозначение (б) электродинамической головки прямого излучения: 1 – диффузор, 2 – пылезащитный колпачок, 3 – центрирующая шайба, 4 – диффузородержатель, 5 – звуковая катушка, 6 и 9 – нижний и верхний фланцы, 7 – керн, 8 – постоянный магнит, 10 – гофр диффузора

Преобразование сигнала из электрического в звуковой сопровождается появлением частотных и нелинейных искажений. Нелинейные искажения особенно заметны при больших уровнях сигнала, когда звуковая катушка имеет значительную амплитуду колебаний. При этом звуковая катушка выходит из зоны равномерного магнитного поля, что и приводит к появлению искажений.

Звуковые колебания, излучаемые передней и задней сторонами диффузора, находятся в противофазе. Если диффузор движется вперед, то передняя сторона диффузора создает сжатие, а задняя – разряжение воздуха. Длина волны звуковых колебаний низших частот больше размеров головки. Звуковая волна, излучаемая задней стороной диффузора, огибает головку и взаимодействует с противофазной звуковой волной, излучаемой передней стороной диффузора. В результате интерференции излучение головки в области низших звуковых частот уменьшается. Это явление проявляется на частотах ниже 100 Гц. Звуковые колебания более высокой частоты не могут огибать головку, поскольку у них длина волны мала по сравнению с размерами головки.

Акустическое оформление громкоговорителя предназначено для устранения взаимодействия противофазных звуковых волн, излучаемых передней и задней сторонами диффузора.

Из многих существующих вариантов акустического оформления чаще всего используются закрытая акустическая система и фазоинвертор. Реже применяется открытая акустическая система (рис. 20).

Закрытая акустическая система полностью исключает взаимодействие излучения передней и задней сторон диффузора. Излучение задней поверхности диффузора поглощается звукопоглощающим материалом, заполняющим корпус, в котором размещена головка громкоговорителя. Объем воздуха, заключенный в корпусе, препятствует колебаниям диффузора. Это вызывает снижение эффективности работы громкоговорителя.

Рис. 20. Акустическое оформление громкоговорителей:

а – закрытая система, б – открытая система, в – фазоинвертор

Открытая акустическая система выполняет роль акустического экрана, который препятствует взаимодействию звуковых волн, излучаемых передней и задней поверхностями диффузора. Для эффективной работы открытой акустической системы корпус должен быть очень большого размера.

Наиболее эффективной конструкцией акустического оформления является фазоинвертор, где полезно используется излучение задней стороны диффузора. Звуковая волна, созданная задней стороной диффузора, излучается через отверстие в корпусе. Размеры корпуса АС подобраны так, что на пути от задней стороны диффузора до отверстия звуковая волна меняет фазу на противоположную. В результате звуковая волна, излучаемая отверстием, синфазна со звуковой волной, излучаемой головкой. Интенсивность излучения низших частот увеличивается.

Важнейшими характеристиками громкоговорителей и акустических систем являются: мощность (Вт), частотный диапазон и импеданс (внутреннее сопротивление).

Номинальная мощность громкоговорителя показывает, какую электрическую мощность можно длительное время подводить к громкоговорителю, не опасаясь его повреждения. Превышение номинальной мощности приводит к резкому увеличению нелинейных искажений.

Паспортная (максимальная шумовая) мощность громкоговорителя показывает наибольшую мощность усилителя, с которым может работать данный громкоговоритель. Паспортная мощность 1,3–2 раза больше номинальной.

Эффективно воспроизводимый диапазон частот простирается от низшей f_н до высшей f_в граничной частоты. За пределами эффективно воспроизводимого диапазона частот интенсивность излучения резко падает. Частотная характеристика представляет собой зависимость звукового давления, развиваемого громкоговорителем, от частоты при неизменной величине подводимого электрического напряжения (рис. 21). Чем меньше звуковое давление зависит от частоты, тем качественнее громкоговоритель.

Номинальный диапазон частот – диапазон частот, в котором громкоговоритель обеспечивает параметры, указанные в его паспортных данных. Характеристика направленности громкоговорителя приведена на рис. 21, б. Она дает представление о характере распределения в пространстве звуковой энергии, излучаемой громкоговорителем. С повышением частоты направленность излучения усиливается.

Важным параметром громкоговорителя является импеданс (номинальное электрическое сопротивление, определяемое на частоте 400 Гц). Величина номинального электрического сопротивления учитывается при определении возможности подключения громкоговорителя к усилителю.

Рис. 21. Частотная характеристика (а) и характеристика
направленности громкоговорителя (б)

Громкоговорители бытовой звуковоспроизводящей аппаратуры могут быть подключены к усилительным устройствам различного типа. При этом надо учитывать, что каждый усилитель рассчитан на подключение громкоговорителя, обладающего определенным сопротивлением. Подключение громкоговорителя с меньшим сопротивлением может вывести усилитель из строя. Допустимо подключение громкоговорителя с большим сопротивлением, но это приводит к снижению мощности.

Громкоговорители звуковоспроизводящей аппаратуры следует располагать приблизительно на уровне головы слушателя. Для стереофонической аппаратуры большое значение имеет расстояние между громкоговорителями – стереобаза. Оптимальное значение стереобазы составляет 1,5–3 м. При меньшем расстоянии ослабляется стереоэффект. При большем – различаются два отдельно звучащих источника звука.

Паспортная мощность громкоговорителя должна быть больше или равна номинальной мощности усилителя. Подключение к усилителю громкоговорителя с недостаточной мощностью может вывести громкоговоритель из строя.

Качество работы громкоговорителей проверяют на слух. Звуковоспроизведение должно быть чистым. Не должно быть заметных частотных искажений (неестественный тембр звука). Звук не должен быть хриплым, дребезжащим (нелинейные искажения). Громкость звука должна быть достаточной.

Оборудование

Для выполнения работы используется комплект звуковоспроизводящей аппаратуры, состоящий из: аудио ресивера KENWOOD KRF-A4030 с комплектом акустических систем CELESTION F₁, проигрыватель CD KENWOOD DPF-1030, компакт диск с набор тестовых сигналов.

Для проведения работы нам необходимо провести все необходимые соединения оборудования

Внимание: Не подключайте сетевой шнур к розетке электросети до тех пор, пока не будут выполнены все соединения. При подключении компонентов системы следует пользоваться руководствами по эксплуатации соответствующих компонентов.

Рис. 22. Схема соединения компонентов аудиосистемы: а – варианты соединения акустических систем CELESTION F₁ с усилителем, (+) и (-) клеммы на АС обозначены цветом красные (+) и черные (-) (вверху приводится схема раздельного соединения ВЧ и НЧ громкоговорителей, внизу схема стандартного подключения с установленной перемычкой); б – на рисунке приводится схема подключения АС к ресиверу KENWOOD KRF-A4030 (у данной модели предусмотрена возможность подключения 2-х пар АС А и В включение их производится нажатием соответствующих кнопок на панели управления усилителя); в – на рисунке приводится схема подключения к ресиверу различных источников сигнала

Подключение АС.

Последовательность операций соединение АС с выходом усилителя:

1. Зачистите провод от изоляции.
2. Отодвиньте рычажок.
3. Вставьте провод в разъем. Верните рычажок в исходное положение.

Кабели, соединяющие АС с усилителем должны быть равной, минимальной возможной длинны, для обеих акустических систем.

При подключении громкоговорителей необходимо соблюдать полярность подключения (рис. 22, а, б) и убедиться в отсутствии замыкания между плюсовым и минусовым проводами громкоговорителей.

Сверившись с данными о сопротивлении громкоговорителей, указанными на задней панели усилителя (рис. 23), подключите к нему громкоговорители с соответствующим сопротивлением. Использование громкоговорителей с номинальной мощностью, отличающейся от указанной на задней панели приемника, может привести к сбоям в работе или повреждению приемника или громкоговорителей.

Рис. 23. Фрагмент задней панели усилителя: при подключении акустических систем А или В (рис. 22, б) возможно использовать АС с импедансом от 4 до 16 Ом; при использовании двух пар акустических систем (А и В) – возможно использование АС с импедансом от 8 до 16 Ом

В технических характеристиках усилителя указана номинальная выходная мощность в режиме «СТЕРЕО» – 2´105 Вт, при использовании АС с импедансом в 4 Ом.

Основные характеристики акустических систем CELESTION F₁:

Мощность – 70 Вт;

Импеданс – 8 Ом;

Чувствительность – 88 дБ.

Сопоставим характеристики соединяемого оборудования, так как номинальная мощность усилителя равна 105 Вт при импедансе 4 Ом, то используя АС с импедансом в 8 Ом, мы получаем номинальную мощность ~ 50 Вт, отсюда следует что максимальная мощность усилителя – 68 Вт на каждый канал. Акустические системы CELESTION F₁ с указанными характеристиками могут использоваться совместно с усилителем KENWOOD KRF-A4030.

Подключите проигрывателя компакт дисков согласно схеме (рис. 22, в).

Все кабели должны быть подключены надежно. При плохом контакте возможны искажения звука или шумы.

С помощью кабеля звукового сигнала соедините выходные гнезда «OUTPUT» проигрывателя компакт дисков со входным гнездами «CD» усилителя.

Проверьте ВСЕ соединения. Включите аппаратуру в сеть.

Задание на работу

1. Освоить и закрепить теоретический материал: основы теории звука, основные характеристики звука, устройство и особенности применения аппаратуры для преобразования и усиления звука.

2. Получить практические навыки работы с приборами.

3. Оформить и защитить отчет о выполненной работе.

Порядок выполнения работы