2.3.2. 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.

В простейшем случае для передачи звуковой информации нужны микрофон, усилитель и громкоговоритель. При такой одноканальной системе передачи звуковых сигналов любые звуки распространяются из одной точки – громкоговорителя. Слушатель, прослушивающий звуковую программу через один громкоговоритель, теряет часть информации, содержащейся в звуковой волне. Так, например, 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 полную информацию о звуке и локализации его источников.

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 отдельному, независимому каналу. Различие между каналами определяется временем достижения звуком точек записи.

На рисунке 128 приведена функциональная схема двухканальной системы стереофонической звукозаписи.

З вуковое поле пространственного источника звука воспринимается двумя микрофонами, преобразуется в электрический сигнал, 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 только в левое ухо слушателя, а от правого – только в правое. При использовании двух громкоговорителей каждое ухо слушателя воспринимает звук от обоих громкоговорителей. В этом случае стереоэффект ослабевает.

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. Огромное число записей на грампластинках, аудиокассетах и лазерных компакт-дисках ориентировано на двухканальную стереосистему.

2.3.2.1. Микрофоны

Микрофоном называется устройство, преобразующее акустические 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. Основными параметрами микрофонов являются номинальный диапазон частот, чувствительность и характеристика направленности.

С овременный микрофон представляет собой сложное электронное устройство. Пример одной их конструкций современного микрофона показан на рисунке 129. Он включает в себя капсюль электростатического типа, предусилитель, защитный экран, систему амортизаторов для крепления капсюля, разъемы, корпус с защитной решеткой и др.

Номинальный диапазон частот – частотный диапазон, в котором определяются параметры микрофона. Для современных высококачественных микрофонов он задается равным 20–20 000 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. 130).

Рис. 130. Форма частотной характеристики чувствительности с коррекцией на низких частотах

Неравномерность частотной характеристики – разность максимального и минимального значений уровня чувствительности в номинальном диапазоне частот. Обычно ЧХЧ высококачественных микрофонов обладает минимальной неравномерностью ( ± 2 дБ), что является одним из основных признаков качества микрофона, 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 микрофонов предусмотрена возможность коррекции АЧХ на низких частотах (рис. 130) для записи в условиях шумов, а также для коррекции подъема ЧХЧ на низких частотах при приближении к источнику звука (свойство направленных микрофонов).

Характеристика направленности – зависимость чувствительности микрофона на заданной частоте от угла падения звуковой волны. Перепад чувствительности, «фронт» минус «тыл» – разность между уровнями чувствительности микрофона, 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.

В се 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. 131, а).

Характеристика направленности такого микрофона представляет собой шар, в центре которого находится микрофон (рис. 132), 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.

Двунаправленный микрофон – приемник градиента давления. Схематически принцип работы микрофона – приемника градиента давления показан на рисунке 131, б. В таком микрофоне обеспечен доступ звуковой волны как к передней, так и к тыльной части мембраны. При этом мембрана находится под действием разности (градиента) сил, отсюда зависимость чувствительности от угла падения имеет вид, показанный на рисунке. Двунаправленные микрофоны находят широкое применение в звукозаписи.

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

Направленные микрофоны обладают таким свойством, как зависимость их уровня чувствительности от расстояния до источника (при расстояниях меньше длины волны) на низких частотах (рис. 133). Это свойство называется «эффектом близости».

Рис. 133. 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.

Р азличают 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. Наибольшее распространение находят электродинамические микрофоны (рис. 134). 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.

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

а) по техническим параметрам (динамический диапазон 130–140 дБ, частотный диапазон не менее 20–20 000 Гц, коэффициент нелинейных искажений не более 1 % и др.);

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

в) 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 %).

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°.