Мир технологий

Акустическая система - устройство, предназначенное для эффективного излучения звука в воздушной среде, включающее один или несколько звуковых излучателей в акустическом оформлении. Характер звучания определяют не только параметры установленных излучателей, но и их взаимное расположение, конструкция корпуса, встроенные пассивные фильтры и многие другие элементы акустических систем. Поэтому, с точки зрения потребителя, правильнее рассматривать характеристики акустических систем в целом, а не излучателей в отдельности.

К основным параметрам акустических систем относятся:

• Подводимая электрическая мощность;

• Электрическое входное сопротивление;

• Диапазон воспроизводимых частот и нелинейность амплитудно-частотной характеристики в пределах диапазона воспроизводимое частот;

• Чувствительность;

• Коэффициент нелинейных искажений;

• Диаграмма направленности.

Дополнительно могут указываться:

• Динамический диапазон;

• График зависимости звукового давления от частоты воспроизводимого сигнала;

• Коэффициент полезного действия;

• Параметры Тиля-Смолла;

• Некоторых элементов конструкции - разделительных фильтров, фазоинвертора и др.

Разумеется, для акустических систем указываются немаловажные эксплуатационные характеристики:

• Масса;

• Габаритные размеры.

АКУСТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Подводимая электрическая мощность - один из самых простых и самых коварных параметров в аудиотехнике. С одной стороны, чем она выше, тем большей громкости звучания можно добиться (и то с оглядкой на чувствительность и динамический диапазон). НО с увеличением подводимой мощности увеличиваются искажения сигнала, связанные с инерционностью и недостаточной жесткостью диффузора, с неравномерностью магнитного поля, которое сказывается при больших амплитудах движения катушки и т.д. Таким образом, указывая мощность акустической системы, производитель обязан указать - при каких параметрах она обеспечивается, в каких условиях была измерена. Единства в этого вопросе до сих пор не наблюдается. Среди самых многочисленных типов электрической мощности акустических систем можно выделить самые распространенные:

Номинальная мощность - подводимая электрическая мощность, при которой нелинейные искажения не превышают указанного значения или значения, определенного для данного метода измерения. Необходимо отметить, что громкость и подводимая мощность - хоть и связанные понятия, но эта связь неоднозначна. Не имея данных о характеристической чувствительности, нельзя судить о того, какая акустическая система звучит громче. Здесь можно столкнуться с неожиданным фактом: громкоговоритель Х при подведении мощности, например, 10 Вт звучит значительно громче громкоговорителя У, хотя подводимая к нему мощность составляет, например, 20 Вт.

Максимальная мощность — подводимая мощность, при которой акустическая система может длительное время работать без механических и тепловых повреждений. Обычно при измерении громкоговорители «пытают так называемым «розовым шумом — шумовым сигналом со спектром, очень напоминающим музыкальный сигнал. Однако, при измерении иногда используют синусоидальный сигнал. Дополнительно некоторые производители указывают максимальную долговременную и максимальную кратковременную мощность. Для получения этих характеристик акустическую систему мучают тем же, шумовым или синусоидальным, сигналом, но в течение короткого интервала времени — одной минуты при максимальной долговременной и одной секунды при максимальной кратковременной мощности. Естественно, при измерении максимальной мощности коэффициент нелинейных искажений не нормируется. В связи с этим, данный параметр еще менее информативен, чем номинальная мощность и характеризует только запас прочности акустической системы — способность работать длительное время при перегрузках.

PMPO (Peak Music Power Output) — максимально достижимое пиковое значение сигнала независимо от искажений за минимальный промежуток времени. Хотя такое определение не является официальным, но оно более всего подходит к данному термину. Измерения проводят в течение очень малого времени (обычно не более 2-х секунд) с помощью тестового сигнала частотой менее 250 Гц. Акустическая система считается прошедшей испытание, если нет заметных на слух искажений. Как следует из описания, в практическом применении параметр РМРО — виртуальный и бессмысленный. Тем не менее, он очень часто встречается в описаниях на акустические системы, вводя в заблуждение многочисленных покупателей. В связи с этим можно лишь посетовать на отсутствие единых обязательных стандартов измерения и на недобросовестность производителей.

Электрическое входное сопротивление

Входное сопротивление — полное сопротивление переменному току, измеренное на частоте 1 кГц. Поскольку музыкальный сигнал далек от гармонического, то и сопротивление акустической системы будет изменяться в зависимости от частоты. Более того, протекающий через акустическую систему ток зависит не только от действующего напряжения, но и от предыстории — система помнит, что происходило 50 — 200 мс назад и даже раньше. Закон Ома в такой ситуации можно применять только с оговорками.

Входное сопротивление практически ничего не определяет в качестве звучания, но необходимо для согласования с усилителем мощности. Если входное сопротивление акустической системы ниже, чего номинальное для усилителя сопротивление нагрузки, то в воспроизводимом сигнале будут велики нелинейные искажения. В случае уменьшения нагрузки ниже допустимого предела, в усилителе сработает система за щиты, и он отключится от акустической системы. Если входное сопротивление акустической системы выше, то громкость звучания будет значительно ниже.

Диапазон воспроизводимых частот

В настоящее время нет ни одного звукового излучателя, который одинаково хорошо воспроизводит все слышимые человеком частоты. Еще в 20-х годах ХХ века Райс и Келлог в своих теоретических работах предлагали для воспроизведения разных диапазонов частот использовать различные участки диффузора. Принято условное разделение частотного диапазона на три участка - низкие, средние и высокие частоты. Диффузор большого диаметра хорошо воспроизводит низкие частоты, но из-за большей массы и, как следствие инертности, хуже справляется с высокими частотами. Как правило, современные акустические системы являются многополосными, то есть, для воспроизведения каждого диапазона частот, в них используются отдельные излучатели, зачастую даже различного типа. Такой прием значительно усложняет расчеты, конструкцию корпуса и вызывает необходимость применения пассивных или активных кроссоверов — фильтров, разделяющих спектр электрического сигнала на отдельные участки. Однако, при этом удается добиться достаточно ровной амплитудно-частотной характеристики акустической системы в широкого диапазоне частот. Субъективно неравномерность амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик воспринимается как искажение тембра, и вред ее для музыкального сигнала вполне сопоставим с последствиями нелинейных искажений. Необходимо отметить, что лучшие современные акустические системы имеют нелинейность АЧХ в пределах 1-5дБ. Для сравнения, контрольные акустические системы (мониторы), представленные на выставке в Брюсселе в 1956 году, имели неравномерность 15 д6.

Диапазон воспроизводимых частот, как правило, должен указываться при заданной неравномерности амплитудно-частотной характеристики. Однако, на некоторых участках АчХ многих акустических систем имеет существенные провалы или подъемы и поэтому ее неравномерность чаще всего не указывают. Нередко производители приводят в технической документации амплитудно-частотную характеристику, т.е. график зависимости звукового давления, развиваемого акустической системой от частоты, подводимого к ней сигнала. Звуковое давление, как правило, измеряется на расстоянии 1м по оси излучения, а мощность подводимого сигнала соответствует номинальной.

Чувствительность

Характеристическая чувствительность — это уровень звукового давления, развиваемого акустической системой на расстоянии 1 метра по оси излучения при подаче на нее электрического сигнала частотой 1кГц и мощностью 1Вт. именно чувствительность определяет коэффициент полезного действия громкоговорителя и уровень звукового давления, а, следовательно, громкости, создаваемого ига при номинальной подводимой мощности. удвоение подводимой электрической мощности приведет к увеличению звукового давления на З дБ. Например, акустическая система с чувствительностью 98д6 и номинальной мощностью ЗОО Вт обеспечивает звуковое давление на расстоянии 1м равное:

5Р1. = 5РЦ1Вт) +10 1дР = 98 + 10 18300 = 123д6.

Система с чувствительностью 92 дБ при той же мощности обеспечивает максимальный уровень звукового давления:

5Р1. = 92 + 10 18300 = 117д6.

Таким образом, разница между первой и второй системами составит 6д6, что эквивалентно 4-кратному увеличению мощности! иначе говоря, для того чтобы добиться одинакового уровня громкости при прочих равных условиях к первой системе потребуется подвести мощность в 4 раза меньшую, чем ко второй.

Коэффициент нелинейных искажений

Нелинейные искажения характеризуются появлением в спектре сигнала новых составляющих, отсутствующих в первоначальном сигнале. Их количество и амплитуды зависят от изменения входного уровня. Появление дополнительных составляющих в спектре обусловлено нелинейной зависимостью выходного сигнала от входного, то есть нелинейностью передаточной функции. Причиной нелинейности могут являться конструктивные и технологические особенности электроакустических преобразователей.

Например, в электродинамических громкоговорителях к числу основных причин нелинейности относятся:

• нелинейные упругие характеристики подвеса и центрирующей шайбы;

• нелинейная зависимость смещения звуковой катушки от величины приложенного напряжения из-за взаимодействия катушки с магнитным полем и из-за тепловых процессов в громкоговорителях;

• нелинейные колебания диафрагмы при большой величине воздействующей силы;

• колебания стенок корпуса;

• эффект Доплера при взаимодействии различных излучателей в акустической системе.

Нелинейные искажения возникают практически во всех элементах звукового тракта: микрофонах, процессорах эффектов, кроссоверах, усилителях, акустических системах.

Нелинейные искажения можно разделить на гармонические и интермодуляционные. Соответственно указывают коэффициент гармонических (ТНО) и коэффициент интермодуляционных искажений (IMD). Гармонические искажения определяются амплитудами паразитных гармоник в спектре выходного сигнала, частоты которых кратны частоте основного тона. Ярким примером гармонических искажений могут служить «обертоны*, которые неизбежно появляются при игре на акустических музыкальных инструментах.

Интермодуляционные искажения - результат сложения и вычитания частот гармонических сигналов, которые подаются на вход акустической системе. Подобные искажения практически не коррелируют с основными тонами музыкального сигнала и приносят в него резкий фоновый шум. Следует отметить, что слуховая система чрезвычайно чувствительна к наличию нелинейных искажений в акустических преобразователях. Заметность гармонических составляющих зависит от их порядка, в частности, к нечетным составляющим слух наиболее чувствителен. При многократном прослушивании восприятие нелинейных искажений обостряется, особенно при прослушивании отдельных музыкальных инструментов. Частотная область максимальной чувствительности слуха к этим видам искажений находится в пределах 1-2кГц, где порог чувствительности составляет 1-2°/о.

Диаграмма направленности

Диаграмма направленности - зависимость уровня звукового давления, развиваемого акустической системой, от угла отклонения слушателя от оси излучения.

Ширина диаграммы направленности - угол излучения акустической системы, при заданном уровне неравномерности звукового давления.

Большинство громкоговорителей имеют направленные свойства, т.е. при отклонении от оси излучения уровень звукового давления уменьшается. Сформированные в 30-е годы ХХ века принципы стерео записи и воспроизведения подразумевают, что до левого и правого уха слушателя звуковые волны доходят одновременно и с заданным уровнем громкости. Например, за счет того, что у человека есть два глаза, он способен понять, какой из видимых предметов находится ближе. Точно также он ощущает объем и в музыке. Небольшое несоответствие при воспроизведении левого и правого каналов основательно разрушает звуковую пространственную картинку. Поэтому при проектировании звуковых систем важно учитывать ширину диаграммы направленности применяемых громкоговорителей.

Ширина диаграммы направленности учитывается не только в стерео системах. Этот параметр, например, определяет количество и расстановку громкоговорителей в системах оповещения и управления эвакуацией, в которых по требованию нормативных документов, в каждой точке помещения, уровень звукового давления не должен быть ниже определенного значения. Это обеспечивает слышимость и разборчивость транслируемых сообщений.

Существуют ненаправленные акустические системы, но такие конструкции встречаются очень редко. Их диаграмма направленности представляет собой сферу, сжатую в вертикальной плоскости, а ее ширина в горизонтальной плоскости составляет З60 градусов.

Динамический диапазон

Динамический диапазон - это отношение максимального уровня звукового давления, создаваемого акустической системой к минимальному. Как правило, широким динамическим диапазоном отличается классическая музыка, звуковое сопровождение театральных постановок и художественных фильмов.

Динамический диапазон характеризует способность акустической системы эффективно воспроизводить составляющие музыкального сигнала, которые существенно отличаются друг от друга по уровню громкости. Узким динамическим диапазоном обладают, как правило, низко чувствительные громкоговорители. Их АЧХ при малой подводимой мощности имеет существенные провалы, что чаще всего выражается в потере высокочастотных и низкочастотных составляющих. Очень многие бытовые громкоговорители имеют проблему «первого ватта>', которая характеризуется невозможностью развить при малой подводимой мощности необходимое для качественного восприятия сигнала звуковое давление. Однако, при номинальной подводимой мощности те же громкоговорители могут звучать вполне прилично и составлять конкуренцию моделям именитых брендов.

Данный параметр редко указывается, поскольку в некоторой мере вытекает из чувствительности громкоговорителей. Хорошим тоном в мире акустических систем считается динамический диапазон не менее 90дВ.

Зависимость звукового давления от частоты

График данной зависимости наиболее точно характеризует частотные свойства акустической системы, поскольку диапазон воспроизводимых частот и неравномерность АЧХ вычисляются именно из него. График наглядно показывает все пики и провалы амплитудно-частотной характеристики громкоговорителя и, поэтому, является более полезным для понимания характера его звучания, а также возможных проблем при воспроизведении, связанных с его внутренними резонансами.

Коэффициент полезного действия

КПд электродинамических громкоговорителей не превышает одного процента (для рупорных излучателей это значение может достигать 15-20°/о). Излучатели другого типа тоже не слишком далеко продвинулись в улучшении данного параметра. К сожалению, преобразование электрической энергии в акустическую - процесс не самый эффективный (с энергетической точки зрения). Однако, технические возможности, получаемые за счет такого преобразования и колоссальный экономический эффект заставляет мириться с энергетическими тратами. Да и более эффективных способов реализации данного преобразования человек пока не придумал. В свете вышеизложенного, становятся вполне очевидными причины, по которым КПд акустических систем производителями не указывается.

Кроме того, мерой КПд является характеристическая чувствительность, которая указывается в паспорте на любой громкоговоритель.

Параметры Тиля-Смолла

Это набор электроакустических параметров электродинамических излучателей (динамических головок), которые приводятся производителями в качестве справочной информации для разработчиков акустических систем. Они характеризуют поведение динамика в области низких частот при малых уровнях сигнала, когда колебательные движения диффузора можно сравнивать с работой поршня.

В 60-х годах прошлого века инженеры-акустики Тиль и Смолл доказали, что «характеристики громкоговорителя в области низких частот могут быть адекватно описаны с помощью трех параметров*:

• резонансная частота динамической головки. При установке динамика в корпус резонансная частота может только возрастать;

• полная добротность динамика, которая вычисляется на основе двух составляющих: электрической и механической добротностей на резонансной частоте. Электрическая составляющая характеризует мощность магнитного тормоза, препятствующего раскачке диффузора вблизи резонансной частоты. Механическая составляющая характеризует потери в упругих элементах подвеса. Величина механической добротности всегда меньше электрической;

• эквивалентный объем (объем воздуха, который обладает такой же жесткостью, что и подвес, при воздействии на него поршня площадью, равной эффективной площади диффузора).

Для технически подкованных покупателей такие параметры могут рассказать многое, но с практической точки зрения приводить их для готового устройства нецелесообразно, так как это зачастую осложняет и без того непростой выбор акустических систем.