Материал: Проектирование и конструирование высококачественных акустических систем. Бадаев А.С

диапазон, а возможности канала ограничены, то сигнал искусственно сжимают на входе такта. Для неискаж нной передачи, на выходе динамический диапазон следовало бы также искусственно расширить, что не всегда адекватно возможно, поскольку неизвестно, на сколько был сжат этот диапазон на входе. Кроме того, попытка расширить диапазон (применением экспандеров) усложняет аппаратуру и приводит к появлению других искажений.

Для характеристики способности АС к воспроизведению пиковых уровней без искажений, а, следовательно, для расширения динамического диапазона вводится параметр — максимальный уровень звукового давления SPL.

Для реализации параметров современных цифровых форматов SPL АC должен достигать 125 дБ, что требует применение усилителей с выходной мощностью более 300 Вт и, соответственно, головок громкоговорителей (ГГ), способных выдерживать такие мощности без механических и тепловых повреждений. Создание таких АС на сегодня является весьма актуальной проблемой.

Субъективные исследования показали высокую чувствительность слуха к восприятию искажений динамического диапазона, поэтому снижение этих искажений является важной задачей

Если звуковоспроизводящий тракт не пропускает весь частотный диапазон передаваемых сигналов, говорят об ограничении частотного диапазона, что тоже является искажениями.

2.5.4. Другие виды искажений

Остановимся кратко на некоторых других видах искажений акустических сигналов. При передаче информации, закодированной в акустическом сигнале по одному каналу, на выходе теряется ощущение глубины, пространства и объма сцены, т.е. происходит потеря акустической перспективы. Это происходит несмотря на наличие нескольких разнес нных микрофонов и источников звука на входе тракта. Решением проблемы является применение многоканальных систем передачи информации, например, двухканальной — стереофони-

ческой или систем 5.1, 5.2, 7.1 и 7.2 для профессионального или домашнего кинотеатров.

Смещение уровней. В случае, когда в передаваемых сигналах отсутствуют данные об их абсолютных уровнях и спектрах, невозможно корректно выставить уровни выходных сигналов. Это может происходить из-за недостаточной мощности усилителей, отсутствия коррекции АЧХ или отсутствия алгоритма такой коррекции, из-за акустических характеристик помещений прослушивания. В результате изменяются соотношения между громкостью различных частотных составляющих сигналов. Повышение уровня выходных сигналов по отношению к уровню входных субъективно воспринимается как подч ркивание низких частот, понижение — как их «недостаток».

Шумы и помехи почти всегда присутствуют и накладываются на полезный сигнал, маскируя и искажая его, прич м как в месте возникновения пер-

35

вичного сигнала — студии, концертные залы, так и в при мных местах — комнаты и залы прослушивания. Шумы и помехи могут иметь как электрическую, так и акустическую природу. Если шумы относятся к «гладким», т.е. имеют пик-фактор, не превышающий 6 дБ, то они сдвигают порог слышимости, который не зависит от времени. К этим шумам относятся различные флуктуационные шумы, например шумы дробового эффекта, речевые шумы от нескольких голосов. Импульсные шумы изменяют порог слышимости во времени в зависимости от пик-фактора и длительности импульсов. Импульсные шумы не только маскируют полезный сигнал, но и искажают его, создавая комбинационные частоты шума и сигнала.

Кроме этих помех, приходится иногда учитывать помехи от самомаскировки речи, т.е. маскировку слабых звуков, следующих за громкими.

Для устранения акустических шумов следует устранять их источники или радикально ослаблять. Самое главное — учитывать многочисленные, непростые и недеш вые требования к акустическим характеристикам передающих теле- и радиостудий, студий звукозаписи, концертных залов и даже квартир

[1–4, 6–8].

Автопараметрические искажения возникают, когда при определенных условиях сигнал с частотой, кратной одной из собственных частот системы, может возбудить соответствующее собственное колебание, частота которого в целое число раз меньше частоты сигнала.

Колебания дробной частоты называются субгармониками, они являются искажениями, поскольку отсутствуют в спектре входного сигнала, но возбуждаются в выходном спектре из-за параметрического резонанса. Также искажения наблюдаются в электродинамических ГГ: при продольных колебаниях звуковой катушки в зазоре магнитной системы и связанного с ней диффузора, в последнем возбуждаются поперечные колебания с частотой, равной половине частоты продольных колебаний.

Если фазовый угол ϕ комплексной передаточной функции линейной сис-

темы (2.14) периодически меняются во времени, то входной гармонический сигнал подвергается фазовой модуляции. В результате в спектре выходного сигнала помимо составляющей с частотой входного сигнала будут содержаться боковые гармоники, которые являются продуктами искажений, называемые

детонацией.

Примером таких искажений является фазовая модуляция сигнала, вызываемая колебаниями скорости транспорта записывающего или воспроизводящего устройства. При медленных колебаниях скорости детонация воспринимается как модуляция высоты воспроизводимого звука («плавание»).

Детонационные искажения оцениваются по глубине модуляции скорости носителя [1–8,10]

m = ∆υυмакс 100%.

36

3. МЕТОД ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ АНАЛОГИЙ

3.1. Основные определения

При расч те акустических оформлений акустических систем (АС) и теоретического описания и анализа процессов в них используют метод электромеханических аналогий. Этот метод использует подход, основанный на замене акустомеханических параметров и величин, элементов и систем их электрическими аналогами. Затем для расч та полученных электрических цепей применяют удобную и хорошо разработанную теорию четыр хполюсников.

Как известно, АС являются электроакустическими преобразователями, которые преобразуют электрические сигналы в механические (акустические) колебания и волны. В состав АС входят механические, акустические и электрические элементы и компоненты, которые объединяются в системы.

Механические и акустические элементы — это массы, гибкости, механические и акустические сопротивления потерь.

Электрические элементы — индуктивности, электрические мкости и сопротивления.

Механоакустические системы — это механические колебательные системы, трубы постоянного и переменного сечения, открытые и закрытые, объ мы единичные и соедин нные, отверстия в перегородках и др.

Электрические системы — колебательные контуры, фильтры, трансформаторы, длинные линии и др.

Акустомеханические системы, также как и электрические, могут быть с сосредоточенными или распредел нными параметрами в зависимости от геометрии и частоты.

3.2. Аналогии по переменным характеристикам и параметрам

Из механики известно, что сила F является причиной возникновения движения материальных точек, тел, частиц среды и других механических элементов. С другой стороны, электрическое напряжение U (точнее, напряж н- ность электрического поля E =Ux) вызывает направленное движение носите-

лей заряда, т.е. электрический ток. Следовательно, F и U — аналоги. Электрический ток I (а строже, плотность тока) — это количество заряда, перенесенного за единицу времени i = dqdt , очевидно, его аналогом является скорость дви-

жения тел, частиц и элементов υ = dxdt, а смещение тела x является аналогом электрического заряда q. Напряжения на индуктивности

а уравнение второго закона Ньютона

37

Учитывая аналогию по переменным, получим, что индуктивность являются аналогом массы, и, что характерно, и то и другое служат мерой инерции, электрической и механической соответственно. Энергия магнитного по-

где Fk — сила упругости;

k — коэффициент упругости; x — смещение.

Сравнивая эти выражения, получаем, что электрическая емкость C — аналогу обратной величины упругости — гибкости Cн =1k . Потенциальная

энергия при деформациях растяжение-сжатие или изгибе EП = F22k = CМ F22, и электрическая энергия конденсатора WЭ =C (U22)аналогичны друг другу.

Падение напряжения на электрическом сопротивлении по закону Ома UR = Ri и сила трения Fтр = rmυ , где rm – коэффициент трения, также являются

аналогами.

Электрическое сопротивление R =UR i являются аналогом механического сопротивления ZM = Fυ , последнее соотношение называют законом Ома в механике.

3.3.Электромеханические элементы

Втабл. 3.1 представлены электромеханические аналоги параметров (величин) и элементов [8].

38

В табл. 3.2 [8] приведены правила и схемы электрических и механических соединений для различных элементов.

39