Радиовещание и электроакустика

Министерство Образования Республики Казахстан

Алматинский Институт Энергетики и Связи

Кафедра РТ

Конспект лекций

по дисциплине "Радиовещание и электроакустика"

Выполнил: ___________________

___________________

Принял: ____________________

Алматы 1999

Содержание

1. Микрофоны 3

2. Громкоговорители 5

3. Волновая и статистическая теория акустических процессов помещения 7

1. Микрофоны

Микрофоны как преобразователи акустических колебаний в электрические сигналы выполняют роль входных элементов в лю­бых радиовещательных системах и бытовых радиовещательных комплексах, установках озвучения и звукоусиления. Особенно вы­сокие требования предъявляются к микрофонам при передаче и записи художественных программ. Преобразование звука в элек­трический сигнал должно производиться с высокой информацион­ной точностью, и технические требования к микрофонам очень высоки. Требуется обеспечить высокую разборчивость и узнавае­мость речевого сигнала, избежать появления различных искаже­ний и помех в пределах динамических диапазонов, достигающих при музыкальных программах 90... 100 дБ в частотной полосе до 15 кГц и более. Кроме того, нужно удовлетворять и эстетическим требованиям зрителей. Микрофон является связующим звеном между исполнителями и аппаратным комплексом радиовещатель­ной системы. При создании звуковой партии телевизионных про­грамм (например, эстрадных) он часто попадает в кадр изобра­жения. Это обстоятельство вызывает необходимость соответствия его конструкции современному дизайну.

Вещательные микрофоны стараются сделать обтекаемой фор­мы и малых размеров. Микрофон, помещенный в звуковое поле, нарушает его однородность из-за отражения звуковой волны от внешних поверхностей корпуса. Обтекаемая форма снижает от­ражения до минимума, позволяя на низких частотах звукового диапазона, где длина волны намного больше размера микрофона, ими пренебрегать, а при сравнимых размерах их учитывать. Ма­лые размеры микрофона позволяют считать его системой с сосре­доточенными параметрами.

Свойства микрофонов описываются многими техническими параметрами, основными из которых являются следующие:

1. Чувствительность—отношение напряжения U в вольтах на выходе микрофона к звуковому давлению р_>зв> в паскалях, воздей­ствующему на его входной элемент:

.

Чувствительность различна для ненагруженного микрофона в режиме холостого хода (если нагрузочное сопротивление не под­ключено и измеряется ЭДС на выходе микрофона) и нагружен­ного на номинальное активное сопротивление R_>ном> (обычно 250...1000 Ом). При определении чувствительности и других параметров микрофонов оговариваются и условия измерения. Обычно исполь­зуется методика измерения в «свободном» звуковом поле. Звуко­вое давление в определенной точке поля измеряется с помощью специального измерительного микрофона очень малых размеров. Далее в эту точку поля вместо измерительного микрофона поме­щают рабочий и измеряют его выходное напряжение относительно звукового давления, которое было измерено в его отсутствии. Оговаривается и частота, на которой определяется чувствитель­ность (обычно 1000 Гц).

Чувствительность зависит и от того, под каким углом она из­меряется по отношению к акустической оси микрофона. Для уточ­нения вводят термин «осевая чувствительность» Е_>м.ос>, поясняющий, что она измерена в направлении акустической (рабочей) оси.

Чувствительность выражают в виде уровня в децибелах отно­сительно ее условной величины — 1 В/Па.

Пользуются представлением осевой чувствительности в виде ее стандартного уровня. Стандартным уровнем осевой чувствитель­ности n_>о.м> называется выраженное в децибелах отношение мощ­ности Р, развиваемой микрофоном на номинальной нагрузке R_>ном> (при действующем на микрофон звуковом давлении р_>зв>=1 Па), к мощности 1 мВт:

где и—напряжение на нагрузке, численно равное чувствитель­ности микрофона при р_>зв> ==1 Па.

2. Направленность и характеристика направленности, вы­раженная через отношение чувствительности микрофона, изме­ряемой под различными углами оси симметрии микрофона относи­тельно нулевой координаты азимутальной плоскости. Характерис­тики (или диаграммы) направленности симметричны относительно акустической оси микрофона, однако могут иметь различную форму при различных частотах. Поэтому свойства направленно­сти характеризуются семейством диаграмм, построенных для ряда выбранных частот.

Направленный микрофон может обладать определенной чув­ствительностью не только с фронтальной стороны, обращенной к источнику звука, но и с обратной. Этот фактор учитывается от­дельным параметром «фронт-тыл», измеряемым путем поворота микрофона по отношению к направлению на источник звука на 180° и сравнения чувствительности при таком положении относи­тельно прямого положения.

3. Частотная характеристика—это зависимость осевой чувст­вительности или ее уровня от частоты. Ее отклонения от горизон­тальной линии в номинальном диапазоне для данного типа мик­рофона определяют частотные искажения. Сам номинальный час­тотный диапазон определяют по допустимым спадам чувствитель­ности в области нижних и верхних частот.

4. Уровень собственного шума микрофона, выраженный обыч­но через уровень эквивалентного ему звукового давления р_>ш>, от­несенный к значению порогового восприятия p_>o>=210^-5 Па.

При детальном анализе микрофонов или же их отдельных эле­ментов приведенные основные параметры могут быть дополнены другими, обычно удовлетворяющими требованиям (коэффициент нелинейных искажений, динамический диапазон и пр.).

2. Громкоговорители

Согласно принятому определению, под громкоговорителями понимаются пассивные электроакустические преобразователи, предназначенные для излучения звука в окружающее пространст­во. По способам излучения громкоговорители подразделяются на диффузорные — непосредственного излучения колеблющейся диа­фрагмой с гибкой подвеской и на рупорные — излучения с по­мощью жесткого рупора. Конструктивно каждый из громкогово­рителей представляет собой совокупность двух независимых уз­лов — головки и акустического оформления, согласованных по акустическим свойствам. Головка громкоговорителя — это собст­венно преобразователь сигналов звуковой частоты из электриче­ской формы в акустическую — содержит все необходимые для этого конструктивные элементы, определяемые способом электро­акустического преобразования. Акустическое оформление являет­ся элементом громкоговорителя, не участвующим в процессе ука­занного преобразования; оно лишь обеспечивает эффективное излучение звука в пространстве с помощью различного вида акусти­ческих экранов, ящиков, рупоров в разных вариантах построения. Основой для конструирования диффузорных громкоговорителей являются серийно выпускаемые специализированными предприяти­ями головки с различными электрическими и конструктивными па­раметрами, а сам громкоговоритель в зависимости от задаваемого класса качества комплектуется одной или несколькими головка­ми, в сумме дополняющими друг друга по акустическим свойст­вам. При разработке громкоговорителей часто налагается условие совмещения его с другим устройством: радиоприемником, магни­тофоном, телевизором, абонентским устройством проводного веща­ния и пр. В этих случаях головки располагают в общих корпусах и громкоговорители называют встроенными. Если же громкого­ворители создаются в отдельных корпусах как независимые уст­ройства, то их называют выносными. К ним принадлежат, напри­мер, звуковые колонки для стереофонического воспроизведения, бытовые электроакустические системы повышенного качества зву­чания и пр.

Рис. 2.1 Частотная характеристика электретного микрофона

Рис. 2.2. Головка диффузорного громкоговорителя

Свойства громкоговорителей и отдельно их головок (без аку­стического оформления) принято оценивать многими параметра­ми и характеристиками, оговоренными ГОСТ 16122—78 и др. Из многочисленного перечня выделим лишь основные.

Характеристика направленности — зависимость звукового дав­ления, развиваемого громкоговорителем (и головкой) на частоте F или в полосе частот со средней частотой F_>cp> в точке сво­бодного поля, находящейся на определенном расстоянии от рабо­чего центра, от угла между рабочей осью громкоговорителя (го­ловки) и направлением на указанную точку.

Частотная характеристика звукового давления (или просто ча­стотная характеристика)—зависимость от частоты звукового дав­ления, развиваемого громкоговорителем в точке свободного поля, находящейся на определенном расстоянии от рабочего центра излучателя, при постоянном напряжении на зажимах громкогово­рителя.

Номинальная мощность — максимальная мощность электриче­ского сигнала, подводимого к громкоговорителю, ограничиваемая нелинейными искажениями, устанавливаемыми для данного гром­коговорителя, при которой обеспечиваются его механическая и тепловая прочность.

Акустическая мощность — усредненная (во времени) мощность излучаемого громкоговорителем сигнала на частоте F (или в по­лосе частот со средней частотой F_>cp>).

Характеристическая чувствительность — отношение среднего звукового давления, создаваемого громкоговорителем в номиналь­ном диапазоне частот на расстоянии 1 м от рабочего центра на ра­бочей оси, к корню квадратному от подводимой мощности.

Основными опорными геометрическими параметрами громкого­ворителей являются: геометрический центр—точка, от которой ведется отсчет расстояний от громкоговорителя; рабочая ось—прямая, проходящая через центр громкоговорителя в направле­нии преимущественного использования или же перпендикулярная плоскости излучающего отверстия.

3. Волновая и статистическая теория акустических процессов помещения

Студия представляет собой замкнутый воздушный объем. Яв­ляясь колебательной системой с распределенными параметрами, он существенно влияет на временную структуру сигнала источни­ка звука, ощутимо изменяя окраску звучания. Известно, что речь звучит различно в большом пустом помещении и в жилой комнате. Звучание оркестра на открытом воздухе гораздо беднее в тембральном отношении, чем в помещении с хорошими акустическими свойствами.

Воздух, заполняющий помещение, имеет определенную упру­гость и массу, оказывает сопротивление распространяющейся в нем звуковой волне. С позиции волновой теории воздушный объ­ем закрытого помещения рассматривается как сложная многоре­зонансная колебательная система с распределенными параметра­ми. При воздействии сигнала, излучаемого источником звука, в воздушном объеме помещения возбуждаются собственные колеба­ния. Спектр собственных частот достаточно просто рассчитать лишь для помещений простых геометрических форм. Например, для помещений прямоугольной формы (с идеально жесткими от­ражающими поверхностями) длиной l, шириной b и высотой h соб­ственные частоты

,

где g, q, r — целые числа, каждой тройке их соответствует одна из собственных частот помещения. Заметим, что значения g, q, r оп­ределяют число стоячих волн, возникающих в помещении в на­правлениях l, b и h.

В помещениях малого объема (, где —длина волны воз­буждающего колебания) спектр собственных частот имеет дискретную структуру (рис. 3.1,а, где цифрами сверху здесь показа­ны повторяющиеся частоты). Вследствие этого отдельные частот­ные составляющие спектра возбуждающего колебания усиливают­ся (подчеркиваются), что сопровождается искажением тембра звучания. Частоте 85 Гц соответствуют тройки чисел g, q и г, со­ответственно равные 4, 1, 5; 5, 0, 0; 0, 3, 0 и 0, 0, 2. Как видно из рис. 3.1,а, лишь в области нижних частот (даже для помещений такого небольшого объема) можно говорить о дискретной струк­туре спектра собственных частот. С повышением частоты этот спектр уплотняется. Важной характеристикой звукового поля ма­лых помещений является плотность спектра собственных частот— число в наперед заданном частотном интервале (рис. 3.1,6):

рде F_>o>—средняя частота выделенного частотного интервала ;

с_>зв>— скорость звука. Если выполняется условие , то плотность спектра собственных частот помещения настолько вы­сока, что частота возбуждающего колебания практически не отли­чается от частоты собственного колебания. Поэтому усиления от­дельных компонент спектра сигнала за счет резонансов воздуш­ного объема помещения не происходит.

Рис. 3.1. Спектр собственных частот (а) и гистограмма распределения их числа (б) при l=10 м, b=6 м, h==4 м

Система с распределенными параметрами обладает конечны­ми значениями добротности. Поэтому собственное колебание (или их совокупность), являясь откликом помещения на возбуждение, не может затухнуть мгновенно. Отклик (отзвук) проявляется на любой частоте возбуждающего колебания. Более того, как это следует из волновой теории акустики помещений, процессу зату­хания отзвука свойственны флуктуации, обусловленные интерфе­ренционными явлениями. Иными словами, каждый элемент (от­резок) временной структуры сигнала возбуждает постепенно за­тухающий отзвук. Совокупность отзвуков образует своего рода звуковой фон, на котором слушатель должен воспринимать все но­вые и новые элементы быстро изменяющейся временной структу­ры сигнала. Этот фон, являясь многократным повторением каж­дого отрезка сигнала, увеличивает время его слухового восприя­тия и характеризует собственно помещение, где происходит исполнение программы. Оба фактора—структура спектра собст­венных частот и быстрота затухания отзвука помещения — по-раз­ному влияют на слуховое восприятие.

В тех случаях, когда объем помещения достаточно велик (, а это условие обычно выполняется на практике) и можно не считаться с дискретностью спектра собственных частот, к анализу временной структуры звукового поля можно подойти с позиций геометрической акустики. Поле в каждой точке помеще­ния можно рассматривать как результат интерференции прямой звуковой волны, поступающей от исполнителя по кратчайшему пу­ти (прямой звук), и значительного числа отраженных звуковых волн (отзвуков), претерпевших разное число отражений от по­верхностей помещения. Совокупность этих отраженных звуков об­разует реверберационный процесс студии, существенно изменяю­щий окраску звучания.