3 Діаграми рівнів каналу підсилення сигналів пульта

Під діаграмою рівнів розуміють графік зміни рівня напруги або потужності сигналу при його проходженні по каналу обробки та підсилення сигналів звукової частоти мікшерного пульта [3]. На графіках відзначають рівні сигналу в точках з'єднання різних вузлів і ланок каналу. Діаграму можна побудувати по відносних (до 0,775 В) напругах або по відносних (до 1 мВт) потужностях, виражених в децибелах. Очевидно, що остання співпадає з діаграмою рівнів по напрузі, якщо модуль вхідного повного опору в даній точці тракту дорівнює 600 Ом.

Діаграма рівнів будується звичайно в процесі проектування устаткування або при початкових настроюваннях апаратури в студії. На її базі задається ряд основних вимог до елементів каналу: коефіцієнт підсилення підсилювачів, загасання регуляторів, рівень завад в усіх точках каналу. Крім того, в певному значенні вона відображає можливості устаткування (в конкретному випадку – мікшерного пульта) і дозволяє при усуненні несправностей і проведенні профілактичних робіт порівнювати фактичну картину зміни рівнів напруги в тракті з розрахунковою. Таким чином, діаграми рівнів є важливим засобом опису і аналізу роботи трактів та каналів звукової частоти.

Діаграми рівнів можуть бути докладними з урахуванням зміни рівня у всіх елементах каналу. На відміну від них, в інших діаграмах приводяться зміни рівня тільки в крупних ланках і пристрої в цілому. Для зручності побудови діаграми її суміщують із спрощеною структурною схемою каналу або тракту так, щоб точки рівнів на графіку співпадали по вертикалі з відповідними точками з'єднання ланок каналу. Схема містить тільки ті елементи каналу, через які проходить даний сигнал. Всі однотипні паралельні кола опускають. Хід діаграми під кожним елементом каналу показує, яке підсилення або загасання він вносить.

Розглянемо принцип побудови діаграми рівнів каналу студійного мікшерного пульта. Існують два види діаграм: розрахункова і в динамічному режимі.

Розрахункова діаграма відображає проходження сигналу з найменшим вхідним рівнем, при якому на виході каналу забезпечується отримання номінального рівня сигналу. Вона визначає коефіцієнт передачі елементів звукового каналу пульта при проходженні мовного сигналу. Розрахункова діаграма будується при звуковому тиску 0,1 Па. Цей тиск відповідає рівню гучності 74 фон, який спостерігається при нормальній (нефорсованій) мові, коли диктор розташований на відстані 1 м від мікрофону. Напруги ж, що розвиваються мікрофонами при проходженні музичних сигналів, коли звуковий тиск більший, ніж при мові, можна зменшити регуляторами до необхідної величини.

Діаграму рівнів в динамічному режимі будується для максимальних рівнів сигналу. Ця діаграма необхідна для визначення максимального загасання регуляторів мікшерного пульта і вимог до підсилювачів, встановлених до індивідуального регулятора рівня. Таким чином, вона визначає режим роботи елементів каналу.

Найбільш простою є побудова розрахункової діаграми рівнів. Для цього, перш за все, визначаються точки, через які проходить сигнал. На рис. 5 (графік 1) під спрощеною структурною схемою пульта студійної апаратної приведена розрахункова діаграма рівнів. Щоб встановити метод її побудови, проведемо розрахунок для цієї схеми. Звичайно задаються наступні величини:

• стандартний рівень чутливості мікрофону (наприклад, мінус 76 дБ) і звуковий тиск (Р = 0,1 Па);

• рівень акустичних шумів в студії (30 дБ);

• початкове внесене загасання індивідуального (a₁=16 дБ) і загального (а₂=0 дБ) регуляторів; за наявності в колах інших елементів загасання (коректувальні контури, погоджувальні елементи) задаються також величини їхнх внесених загасань;

• вихідний рівень сигналу (прийнятий в ЄАСС рівним 15 дБ; візьмемо із запасом 17 дБ);

• модуль повного вхідного опору в точках кола на частоті 1000 Гц (z_і=600 Ом).

У дужках вказані величини, що використовуються при розрахунках в даному прикладі.

Потрібно визначити:

• електричні рівні напруги в точках кола N₁, N₂, N₃, N₄;

• необхідні коефіцієнти підсилення K₁, K₂, К₃;

• загасання загального регулятора а₂.

Рисунок 5 – Приклад побудови діаграми рівнів студійного пульта при роботі

одного мікрофону

Оскільки підсилення сигналу в тракті повинне компенсувати загасання а₁ і, крім того, підняти рівень сигналу на початку тракту до +17 дБ в точці N₅, то необхідне загальне підсилення кола

К_ =N₅-N₁+a₁+a₂=17+76+16=109 дБ.

Розподілимо загальне підсилення між підсилювачами. Лінійний підсилювач має номінальний рівень N₄=0 дБ. Отже, К₃=17 дБ. Різницю підсилення 92 дБ необхідно розділити між обома підсилювачами. Якщо прийняти рівень N₂ мінус 30 дБ, то K₁=N₂-N₁=-30+76=46 дБ. Отже, К₂=46 дБ.

Звичайно в мікрофонному і проміжному підсилювачах передбачається невеликий запас по підсиленню, який дозволяє не виводити до кінця регулятори, а зберігати на кожному з них деяке початкове загасання. Цей запас дозволяє компенсувати можливий розкид по підсиленню підсилювачів в межах встановлених допусків, а також забезпечити передачу особливо слабких сигналів.

На розташованій зліва осі (рис. 5) нанесена шкала рівнів звукового тиску в децибелах

L_а=20lg(p/p₀).

де р – ефективний тиск акустичного сигналу; р₀=210^-5 Па – тиск, що відповідає порогу чутливості слуху. Для тиску в 0,1 Па рівень L_a =74 дБ. За даними розрахунку будується графік 1 (див. рис.5).

Для визначення максимального внесеного загасання регуляторів мікшерного пульта і вимог до підсилювачів в колі до регулятора рівня побудуємо діаграму для максимальних рівнів сигналу. В даному випадку для радіомовної студії при оркестровому виконанні симфонічної музики може зустрічатися звуковий тиск до 20 Па, що відповідає акустичному рівню L_a =120 дБ. Знаходимо максимальний електричний рівень сигналу на виході мікрофону

N_макс= 20lg (U_макс/U₀)=20lg (10Е₀р_макс/ U₀) =20lg (100,12310^-320/0,775)-30 дБ.

де Е₀ – осьова чутливість мікрофону, мВ/Па; р_макс – звуковий тиск, Па.

Для того, щоб на виході проміжного підсилювача забезпечити номінальний рівень 0 дБ, необхідно ввести загасання 62 дБ. Це і робить звукорежисер за допомогою індивідуального (16 дБ) і загального регуляторів (46 дБ). Звідси вимоги до мікрофонних підсилювачів – вони повинні забезпечувати підсилення +16 дБ без спотворень. На рис. 5 для цього випадку діаграма 2 в динамічному режимі показана вище за розрахункову діаграму рівнів.

Для визначення рівнів шумів в різних точках каналу необхідно побудувати діаграму рівнів шумів. При цьому слід окремо розглянути випадок мінімального і максимального підсилень.

Кожний з підсилювачів тракту є джерелом шуму. Іншими джерелами шумів і завад можуть бути ЕРС, наведені магнітними полями розсіяння трансформаторів, силових проводок, а також шуми самих мікрофонів. Проте найбільше значення мають шуми студії, що створюють рівень звукового тиску L_ш близько 30 дБ, що відповідає на виході мікрофону електричному рівню шумів

N_ш=20lg (Е₀р_ш/ U₀)= -120 дБ

де р_ш=р₀10^Lш/20.

Поступаючи на вихід, ці шуми будуть по енергетичному закону підсумовуватися з шумами мікрофонного підсилювача. Необхідно, щоб завади, що виникають в мікрофонному каналі, не прослуховувалися на тлі шумів студії. Для цього рівень завад у всіх проміжних точках каналу повинен лежати значно нижче рівня шумів студії. Щоб зручно було їх порівнювати, рівень завад в будь-якій точці звукового каналу перераховують відносно мікрофонного входу. Для цього визначають рівень напруги еквівалентного сигналу на мікрофонному вході, який при підсиленні в даній точці, наприклад на виході, дорівнював би рівню завад. Високоякісні мікрофонні підсилювачі мають власний рівень шумів, віднесений до входу, настільки низький, що він складає приблизно величину мінус 120 дБ, а в кращих зразках – мінус 128 дБ. Це означає, що шуми в каналі визначатимуться тільки акустичними шумами в студії.

Побудована на рис. 5 діаграма 3 рівнів шумів тракту показує, що при мінімальному розрахунковому звуковому тиску, що дорівнює 0,1 Па, динамічний діапазон каналу складає 44 дБ. При передачі мови і інших аналогічних звукових сигналів це не небезпечно, оскільки динамічний діапазон мови звичайно менше 40 дБ, а шум студії, створюючи звичний акустичний фон, буде мало помітний для слухачів. При максимальному звуковому тиску, що дорівнює 20 Па, граничний динамічний діапазон виявляється 64 дБ (графік 4). В цьому випадку шуми в каналі визначатимуться шумами проміжного підсилювача, рівень яких, приведений до входу, мах порядок мінус 110 дБ. Видно, що захищеність від інтегральної завади в студійному каналі при регулюванні рівнів змінюється.

На рис. 6 як приклад наведена більш детальна розрахункова діаграма рівнів основного звукового каналу студійного пульта, в якій відсутні великі перепади рівня сигналу. Вона побудована по напрузі для тракту: один вхід – одна основна шина – один вихід. Графік побудований для вхідного рівня -82 дБ, який створюється найменш чутливим мікрофоном при звуковому тиску 0,1 Па.

Розглянемо випадок, при якому одночасно подаються сигнали на декілька входів пульта. Якщо вважати, що шуми тракту в межах номінального діапазону частот мають рівномірний енергетичний спектр, то напруга шумів на виході змішувача

,

де U_ш – ефективне значення напруги шумів на і-му вході змішувача; N - число одночасно включених входів тракту.

Коли сигнали, що поступають на входи змішувача, корельовані і коефіцієнт R() близький до одиниці, рівень напруги корисного сигналу на виході змішувача зростає в значно більшому ступені, ніж рівень шумів. Це приводить до збільшення завадозахищеності. Такий випадок можливий, наприклад, коли мікрофони в студії розміщені поряд, а в спектрі сигналу переважають НЧ складові.

Візьмемо інший граничний випадок, коли сигнали повністю не корельовані і R()=0 (наприклад, мова і музика). При цьому підсумовування мовних сигналів в змішувачі проводиться по тому ж закону, що і підсумовування шумів. Але завадозахищеність в цьому випадку залишається такою ж, як і при одному вході, хоча абсолютні значення рівнів сигналу і шумів зростають.

У третьому випадку, коли на декількох входах введені індивідуальні регулятори, а сигнал поступає тільки на один вхід, шуми зростають. Такий режим роботи мікрофонних входів є неправильним. Якщо ж входи тракту підготовлені з розрахунку на вхідний сигнал високого рівня, завадозахищеність на вході настільки велика, що шуми відкритого входу не впливають на результуючі шуми на виході.