В. П. Дьяконов, А. Н. Черничин Новые информационные технологии Часть Основы и аппаратное обеспечение Под общей редакцией проф. В. П. Дьяконова Смоленск 2003
| Вид материала | Документы |
- Высшее образование новые педагогические и информационные технологии в системе образования, 4841.75kb.
- Перевод с норвежского М. П. Дьяконовой Под редакцией М. А. Дьяконова Предисловие проф., 5465.89kb.
- Литература: Калугина Т. А. Новые информационные технологии в сфере образования: методологические, 14.35kb.
- Юрия Михайловича Лахтина, прочитанной на 3-х Лахтинских чтениях 21 сентября 2003 года, 1244.48kb.
- Под общей редакцией проф. Малого В. П., проф. Кратенко И. С. Харьков 2008, 8344.22kb.
- Информационные технологии и управление в технических системах всех форм обучения Под, 793.84kb.
- Леонид Владимирович Дьяконов указатель, 8647.04kb.
- Международный общественный благотворительный, 2426.77kb.
- 2. технические основы информационных технологий в экономике, 988.43kb.
- Учебник под редакцией, 9200.03kb.
5.2. Аудиотехнические средства обучения
5.2.1. Звук и его параметры
Звуком называется колебательное движение частиц воздуха, воспринимаемое слухом. Вокруг всякого колеблющегося тела возникают колебания частиц воздуха. Их порождают колебания струны, вибрация камертона, движение диффузора громкоговорителя и др. Колебания воздуха от источника звука в виде звуковых волн распространяются со скоростью приблизительно 340 м/с. Звуковой волной называется процесс направленного распространения колебаний воздуха от источника звука.
Звуковая волна представляет собой чередование сжатий и разряжений воздуха. В области сжатий давление воздуха превышает атмосферное, в области разряжений - меньше его. Переменная часть атмосферного давления называется звуковым давлением Р.
Звуковое давление составляет очень небольшую часть атмосферного давления. Если излучающее звук тело колеблется по закону синусоиды, то звуковое давление также изменяется по синусоидальному закону. Колебательное движение частиц воздуха в звуковой волне характеризуется рядом параметров. Время, за которое совершается одно полное колебание, называется периодом колебания Т. Период колебания выражается в секундах (с).
Число полных колебаний, происходящих в 1 с, называется частотой колебаний f. Единицей измерения частоты является герц (Гц) или килогерц (1 кГц =1000 Гц).
Расстояние, на котором укладывается один период колебания (между соседними сжатиями или разряжениями воздуха), называется длиной волны К. Длина волны выражается в метрах (м). Длина волны и частота колебания связаны соотношением К = c/f, где с - скорость распространения звука.
Максимальное отклонение колеблющейся величины от среднего положения называется амплитудой колебания, или просто амплитудой.
Звуковые колебания могут быть затухающими и незатухающими. Амплитуда (интенсивность) затухающих колебаний постепенно уменьшается. Примером затухающих колебаний может служить звук, возникающий при однократном возбуждении струны или ударе гонга. Причиной затухания колебаний струны является трение струны о воздух, а также трение между частицами колеблющейся струны. Незатухающие колебания могут существовать, если потери на трение компенсируются притоком энергии извне. Примером незатухающих колебаний являются колебания чашечки электрического звонка. Пока нажата кнопка включения, в звонке существуют незатухающие колебания. После прекращения подвода энергии к звонку колебания затухают.
Распространение звуковых волн сопровождается уменьшением их интенсивности. Это происходит из-за потерь звуковой энергии на преодоление трения между частицами воздуха. Кроме того, распространяясь во все стороны от источника, волна охватывает все большую область пространства, что приводит к уменьшению количества звуковой энергии на единицу площади. Достигнув барабанной перепонки, которая является чувствительным элементом уха, звуковые волны вызывают ее колебания. Имеющиеся в ухе нервные клетки воспринимают колебания барабанной перепонки, и человек ощущает колебания воздуха в виде звука.
Имеется связь между физическими параметрами звука и соответствующими ощущениями человека:
- звуковое давление -> громкость звука
- частота -> тон звука
- спектральный состав -> тембр звука.
Человеческое ухо способно воспринимать звуковые колебания с частотой приблизительно от 16 до 20000 Гц. Верхняя и нижняя границы частотного диапазона звуков, воспринимаемых человеческим слухом, различны для разных людей. Чем выше частота звуковых колебаний, тем выше тон; низкочастотные колебания воспринимаются как гудение (шмель), а высокочастотные - как писк (комар).
Неслышимые колебания с частотой ниже 16 Гц называются инфразвуковыми, а с частотой выше 20000 Гц - ультразвуковыми. Диапазон записываемых и воспроизводимых звукотехнической аппаратурой частот определяет ее качество и должен соответствовать воспринимаемому человеком диапазону.
Слуховой аппарат человека воспринимает звуковые колебания в определенном диапазоне звуковых давлений, что соответствует ощущению громкости. Очень слабые звуки не воспринимаются на слух. Можно сказать, что их интенсивность лежит ниже порога слухового восприятия. Звуки очень большой интенсивности воспринимаются как боль в ушах. Такие ощущения могут возникнуть при близком раскате грома, вблизи работающего реактивного двигателя. Звуки, вызывающие ощущение боли, имеют интенсивность, превышающую болевой порог слухового восприятия. Нормальное ощущение звука возможно, если интенсивность звука находится между порогом слышимости и болевым порогом.
Звуки, интенсивность которых приближается к болевому порогу, оказывают вредное воздействие на слух. Ухудшение слуха вызывает систематическое прослушивание музыки при большой громкости, поэтому в звуковоспроизводящей аппаратуре всегда имеется регулятор громкости, который позволяет установить желаемую громкость звука.
Звуки, которые мы слышим (музыка, человеческий голос, шумы и т.п.), не состоят из звуковых колебаний одной частоты, а содержат много частот, поэтому каждый звук имеет свою окраску – тембр.
Звуковое колебание синусоидальной формы называется гармоническим, или простым. Такое колебание излучает камертон. Другие источники звука, например колеблющаяся струна, излучают сложный звук, состоящий сразу из нескольких синусоидальных составляющих (гармоник). В общем виде любой звуковой сигнал может быть представлен в виде набора синусоидальных составляющих, имеющих различные частоты и амплитуды.
5.2.2. Усиление звуковых сигналов
К
числу наиболее распространенных задач электроакустики относится усиление звуковых сигналов. Схема акустического тракта одноканального (монофонического) усилителя представлена на рис. 5.2. Это типичный пример построения аналоговой системы усиления акустических сигналов.Рис. 5.2. Схема акустического тракта, содержащего микрофон, усилитель и акустическую систему
Подобное устройство, выполненное в одном небольшом корпусе, называется мегафоном. Оно широко применяется для дачи объявлений и команд.
5.2.3. Стереофоническое воспроизведение звука
Звуковые волны, достигающие правого и левого уха, несколько отличаются друг от друга. Если источник звука расположен сбоку от слушателя, то к одному уху звуковая волна приходит непосредственно, а к другому- обогнув голову. Мозг улавливает разницу в звуковых колебаниях, воспринимаемых левым и правым ухом. В результате человек может определить местонахождение в пространстве источника звука. Способность слуха определять направление на источник звука называется бинауральным эффектом.
Слушатель, прослушивающий звуковую программу через один громкоговоритель, теряет часть информации, которую содержит звуковая волна. Для него звуки всех инструментов оркестра кажутся исходящими из одной точки. Теряется объемность звука. Такой способ звукопередачи называется монофоническим.
В
стереофонических системах применяются два одинаковых канала звукопередачи. Каждый канал имеет функциональную схему, представленную на рис. 5.2. На рис. 5.3 показан современный стереофонический музыкальный центр футуристического дизайна, содержащий два усилителя с проигрывателем оптических дисков и минидисков (в центре) и две акустические колонки высокого класса.Рис. 5.3. Музыкальный стереофонический центр Sony CYBER CMT-5
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. Качество звучания в целом существенно повышается.
Двухканальная стереофония нашла широкое применение в радиовещании и магнитной записи звука. Иногда применяются более сложные системы, например квадрофоническая четырехканальная система. При ней громкоговорители располагаются в углах комнаты. В так называемых домашних видеотеатрах применяются шестиканальные системы (5+1). Они имеют две пары акустических колонок спереди слушателя и сзади, отдельную колонку в центре (над или под телевизором) и низкочастотную колонку - сабфувер. Такие системы обеспечивают натуральное объемное звучание, например, при звуковом сопровождении видеофильмов, записанных на так называемые диски DVD, которые мы рассмотрим чуть ниже. Они обеспечивают высочайшее качество воспроизведения как видеофильмов, так и звука.
5.2.4. Микрофоны динамические
Микрофон –устройство, преобразующее звуковые колебания в электрические. Наибольшее применение получил электродинамический микрофон, устройство которого схематично показано на рис.5.2. Внешний вид электродинамического микрофона показан на рис. 5.4. Звуковая волна вызывает колебания легкой пластмассовой диафрагмы, на которой закреплена звуковая катушка, находящаяся в магнитном поле постоянного магнита. При колебаниях катушки в ней наводится ЭДС переменного тока (звукового сигнала, которая подается на вход усилителя.
Рис. 5.4. Электродинамический монофонический микрофон Sony Fv 1202 (слева показан разъем микрофона и переходник)
Основными параметрами микрофонов являются номинальный диапазон частот, чувствительность и характеристика направленности. Номинальный диапазон частот – диапазон частот, в котором микрофон обеспечивает параметры, указанные в его паспорте. Диапазон частот обычно находится в пределах от 50-100 Гц до 10-25 КГц. Чувствительность характеризует величину ЭДС, создаваемой микрофоном, в зависимости от величины звукового давления.
5.2.5. Микрофоны электретные
Наряду с электродинамическими микрофонами выпускаются дешевые электретные микрофоны. Эти микрофоны имеют пьезоэлектрическую пластину, с одной стороны наглухо закрепленную, а с другой – прикрепленную к диафрагме. Колебания пластины ведут к появлению на ее обкладках ЭДС - звукового сигнала. Существуют также конденсаторные микрофоны. Они обеспечивают высокое качество преобразования звука, но дороги и применяются в студиях звукозаписи.
На рис. 5.5 показан современный электретный микрофон Sony ECM-Z60. Это остронаправленный микрофон с частотным диапазоном 100-10000 Гц . Выходное сопротивление микрофона 2.8 кОм ±30% , выходное напряжение -36 ±3,5 дБ (0 дБ = 1В/Па) на частоте 1000 Гц. Этот микрофон активный, он имеет встроенный усилитель. Питание осуществляется от батареи CR2025, которой хватает на 300 часов работы. Размер устройства 1610622 мм. Длина шнура 1 м,
вес 21 г (со шнуром).
Р
ис. 5.5. Электретный монофонический микрофон Sony ECM-Z60 (снизу показан разъем микрофона)Для записи стереофонических звуков применяется два отдельных микрофона. Однако созданы и специальные стереофонические микрофоны, в которых два микрофона (для левого и правого каналов) размещены в одном корпусе. Такой стереомикрофон, разработанный фирмой Sony, представлен на рис. 5.6.
Рис. 5.6. Стереофонический микрофон Sony ECMMS 9071 для записи на цифровые носители
Существует также масса конструкций встроенных в различные устройства (сотовые телефоны, магнитофоны, диктофоны и т.д.) миниатюрных микрофонов. Как правило, это простые микрофоны, рассчитанные на запись звуковых сигналов речи. Наивысшее качество записи дают дорогие студийные микрофоны.
5.2.6. Громкоговорители и акустические системы
Г
ромкоговорителем называется устройство, предназначенное для громкого воспроизведения звука. Наиболее распространены электродинамические головки прямого излучения (рис 5.7). Принцип работы головки основан на явлении перемещения проводника с током, помещенного в магнитное поле. При протекании тока по звуковой катушке 6, находящейся в магнитном поле, катушка перемещается, увлекая за собой диффузор 1. Если на звуковую катушку подается напряжение с усилителя, то колебания диффузора будут создавать звуковые волны, соответствующие воспроизводимому звуку.Рис. 5.7. Устройство (а) и условное графическое обозначение (б) электродинамической головки прямого излучения
Звуковая катушка, диффузор и центрирующая шайба 4 образуют подвижную систему головки. Катушка расположена в зазоре магнитной цепи, состоящей из постоянного магнита 9, верхнего 10 и нижнего 7 фланцев и керна 8. Катушка перемещается строго вдоль зазора. Со стороны катушки в диффузор вклеен пылезащитный колпачок 3 (особенно опасны небольшие частицы магнитного материала, которые могут притянуться магнитным полем и нарушить работу громкоговорителя).
Диффузор представляет собой конус с гофрированным основанием. Гофр 11 обеспечивает смещение диффузора вдоль оси головки в обоих направлениях. Диффузор крепится к диффузородержателю 5, являющемуся основанием головки и обеспечивающему необходимую жесткость всей конструкции.
Чем больше размеры диффузора, тем эффективнее он передает низшие частоты, но плохо излучает высшие частоты звукового диапазона. Главной причиной этого является акустическое «короткое замыкание». Например, если диффузор движется вперед, то спереди его создается зона повышенного давления воздуха, а сзади – зона разрежения. Воздух спереди диффузора легко перетекает в пространство сзади диффузора. В итоге медленные (низкочастотные) колебания диффузора создают слабые низкочастотные звуки. Для исключения этого явления динамик надо помещать в ящик больших размеров и делать диффузор большим.
Для эффективного излучения высших частот необходимы малые размеры и масса подвижной системы. Совместить эти противоречивые требования в одной конструкции трудно, поэтому в звуковоспроизводящих системах высокого класса используются раздельные головки для воспроизведения низших, средних и высших частот. В более дешевых и простых системах используются две (высокочастотная и низкочастотная головки). Для улучшения воспроизведения высших частот головки часто снабжают дополнительным диффузором 2. Пример создания звуковых колонок с раздельным усилением низких и средних (большой динамик) и высоких (малый динамик) частот показан на рис. 5.3.
Акустическая система представляет собой один или несколько громкоговорителей, размещенных в ящике или имеющих то или иное акустическое оформление. Обратите внимание на отверстие снизу звуковых колонок рис. 5.3. Это отверстие так называемого фазоинвертора. Звуковые колебания спереди и сзади диффузора находятся в противофазе и потому гасят друг друга. Однако в корпусе больших размеров выходящие из отверстия звуки смещены по фазе. При правильном выборе пути звука от задней стороны динамика можно получить сдвиг по фазе, близкий к 180, и добиться, что на низких частотах колебания передней и задней поверхностей диффузора будут сфазированы. Таким образом, фазоинвертор повышает отдачу колонок на низких частотах.
Существует еще один тип звуковых колонок с наглухо закрытыми ящиками. Однако в таком ящике возникают резонансные явления, что порой портит звук больше, чем снижение отдачи динамиков на низких частотах. Для снижения резонанса ящик заполняют поглощающим звуки веществом, например пенопластом.
5.2.7. Головные телефоны - наушники
Иногда нужны малогабаритные устройства для прослушивания звуков. К ним относятся наушники, или головные телефоны. Два телефона, снабженные оголовьем, называются головными телефонами (наушниками). Принцип работы телефона аналогичен принципу работы громкоговорителя. Однако капсулы наушников представляют собой очень миниатюрные динамики, потребляющие малую мощность - порядка нескольких мВт.
Поскольку наушники надеваются на уши, то при достаточно плотном контакте акустическое короткое замыкание отсутствует. Это, наряду с малой и тонкой мембранной позволяет получить очень высокое качество воспроизведения звука. Многие наушники имеют диапазон частот от 20 Гц до 20 кГц и даже выше, т.е. полностью охватывают диапазон частот звуковых колебаний. Индивидуальный характер прослушивания также имеет ряд положительных моментов - можно слушать музыку, не мешая окружающим.
Телефоны с металлической мембранной над электромагнитом, применяемые в старых телефонных трубках, имеющих металлический и дребезжащий звук, уже давно ушли в историю. По старинке они еще применяются в обычных телефонных аппаратах. Современные наушники обеспечивают высочайшее качество звучания. При этом наушники имеют весьма разнообразную конструкцию.
Стереофонические наушники классической конструкции (рис. 5.8) имеют два капсуля - головки и дугу, которая одевается на голову. Дуга надежно придавливает капсули к ушам, что способствует хорошему воспроизведению низких частот и подавлению внешних шумов. На капсули надевают пористую прокладку для защиты капсулей от пота - увы, но при жаркой погоде уши в таких наушниках могут запотевать.
Рис. 5.8. Наушники (головные телефоны) стандартной конструкции - Sony MDR 201TV
Еще один современный тип наушников имеет индивидуальные крепления на уши в виде загнутых лапок - рис. 5.9. У таких наушников давление на уши снижено и нет дуги, надеваемой на голову. Это особенно важно для женщин, у которых пышная прическа может препятствовать применению наушников стандартной конструкции - с дугой.Рис. 5.9. Наушники Sony MDRQ 33LPS с индивидуальным креплением на каждое ухо и сменными вкладками
Довольно распространены и сверхминиатюрные наушники, капсули которых вставляются прямо в ухо - рис. 5.10. Они крепятся в ухе за счет специальной формы капсулей, повторяющей профиль ушного отверстия. Есть телефоны со специальными резиновыми набалдашниками, или «воздушными мешками». Они нужны для предотвращения акустического короткого замыкания, возникающего при неплотном креплении наушника в ухе. К сожалению, наушники таких конструкций нередко все же выпадают из уха.Рис. 5.10. Миниатюрные наушники Sony MDRE 818LP, вставляемые в уши
Есть и ряд других типов головных телефонов, отличающихся типом крепления к ушам, размерами и техническими характеристиками. В частности, для особо высококачественного прослушивания применяются большие наушники, многие наушники имеют выносной пульт управления - нередко с регулятором громкости. Для сотовых телефонов и персональных мультимедийных компьютеров выпускают гарнитуры - головные телефоны с пристроенным к ним микрофоном на специальном рычаге. Некоторые телефоны имеют пультик управления с регулятором громкости.
5.2.8. Усилители звуковых частот
Сигнал от микрофона очень мал (обычно тысячные ватта), тогда как подаваемая на громкоговорители мощность составляет десятки и сотни ватт. Таким образом, возникает необходимость в усилении звуковых сигналов. Усилителем называется электронное устройство, предназначенное для увеличения мощности (напряжения или тока) электрических сигналов. Основные активные элементы современных усилительных устройств – биполярные или полевые транзисторы. Ко входу усилителя подключается источник сигнала, например, микрофон, к выходу усилителя подключается нагрузка.
Усилители выпускаются как самостоятельные, вполне законченные устройства, так и выполненные в составе различных устройств, например музыкальных центров (см. рис. 5.3 в центре). Усилители имеют выключатель питания и регулятор громкости. Некоторые усилители имеют регуляторы тембра по низким и высоким частотам и даже «графичесские» регуляторы тембра - эквалайзеры.
Важнейшими параметрами усилителя являются выходная мощность, номинальный диапазон частот, линейность характеристики «вход - выход». Рассмотрим эти характеристики и связанные с ними понятия.
Частотные искажения. Человек слышит звуки в полосе частот примерно от 20 Гц до 20 000 Гц. И если мы хотим услышать из громкоговорителя звук во всем его частотном богатстве, то нужно провести этот звук (точнее, его электрическую копию) от микрофона до громкоговорителя без каких-либо частотных искажений. То есть на всем пути, пролегающем, например, через микрофон, усилители, устройства звукозаписи и считывания, громкоговорители, нужно сохранить изначальное соотношение между всеми частотными компонентами сложнейшего звукового аккорда, между составляющими звука во всей полосе от 20 Гц до 20 кГц. Задача непростая, если решать ее в полном объеме, аппаратура получится сложной, дорогой. Поэтому в аппаратах средней и невысокой стоимости воспроизводят более узкую полосу частот, скажем, 20 Гц — 12 кГц или 200 Гц — 6 кГц, и мирятся с тем, что звучание получается не отличным, а хорошим или даже всего лишь удовлетворительным.
В
еличину частотных искажений можно оценить, рассматривая частотную характеристику усилителя (рис 5.11). Из ее рассмотрения видно, что коэффициент усиления падает в области высоких и низких частот или, как иногда говорят, усилитель «заваливает» высокие и низкие частоты, а это приведет к частотным искажениям выходного звукового сигнала.Рис.5.11. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя
Коэффициент нелинейных искажений. Если подать на вход идеального усилителя синусоидальный сигнал, то сигнал на выходе также будет синусоидальным. Однако если усилитель имеет нелинейность, то сигнал на выходе будет отличен от синусоидального, и на его выходе появятся дополнительные составляющие - гармоники. В результате на выходе всей системы, то есть в громкоговорителе, появляются компоненты звука, которых не было на входе, слышатся посторонние призвуки и хрипы.
Эти искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений - отношением среднеквадратического значения напряжения (или тока) высших гармоник к напряжению (или току) первой гармоники. Часто эта величина задается в процентах. Считается, что нелинейные искажения в 2—3 процента незаметны на слух, но все же в высококлассной аппаратуре стараются, и не без оснований, сделать их менее одного процента, а порой и гораздо меньше.
Выходная мощность усилителя. Вообще говоря, существует множество определений мощности усилителя - номинальная, максимальная, пиковая и т.д. Ограничимся приведением определения номинальной мощности - эта мощность на выходе усилителя при заданном значении коэффициента нелинейных искажений.
Уровень собственных шумов. Даже когда на входе усилителя отсутствует сигнал, на его выходе существует напряжение шумов, и эти шумы слышны в громкоговорителе. Шумят ламповые и транзисторные усилители из-за ничтожных флюктуаций тока. По той же причине в какой-то мере шумят все элементы электронных схем, даже обычные проводники.
Шумы - вещь неприятная, и не только потому, что слышны в паузах. Шумы забивают слабый сигнал, приходится искусственно поднимать его уровень и при этом жертвовать реальным динамическим диапазоном - соотношением самого громкого «форте» и самого тихого «пиано».
Уровень шума измеряется отношением напряжения шумов на выходе усилителя Uш к максимальному напряжению Uм сигнала. Это отношение обычно измеряется в децибелах как 20log(Uш/Uм). В хорошей аппаратуре уровень собственных шумов обычно меньше –60 дБ, т.е. шумы по напряжению в 1000 раз меньше, чем сигнал.
При использовании микрофона в системе звуковоспроизведения возможно самовозбуждение системы, проявляющееся в появлении сильного звука некоторой частоты. Это происходит, если звук от громкоговорителя попадает в микрофон, затем сигнал усиливается, достигает громкоговорителя и т.д. Это явление называют акустической обратной связью. Для устранения самовозбуждения следует располагать микрофон так, чтобы звуковые колебания, излучаемые громкоговорителем, не попадали в микрофон, можно также уменьшить громкость.