Министерство Образования Республики Казахстан

Алматинский Институт Энергетики и Связи

Кафедра РТ

Конспект лекций

по дисциплине "Радиовещание и электроакустика"

Выполнил: ___________________

___________________

Принял: ____________________

Алматы 1999

Содержание

1. Микрофоны 3

2. Громкоговорители 5

3. Волновая и статистическая теория акустических процессов помещения 7

1. Микрофоны

Микрофоны как преобразователи акустических колебаний в электрические сигналы выполняют роль входных элементов в лю­бых радиовещательных системах и бытовых радиовещательных комплексах, установках озвучения и звукоусиления. Особенно вы­сокие требования предъявляются к микрофонам при передаче и записи художественных программ. Преобразование звука в элек­трический сигнал должно производиться с высокой информацион­ной точностью, и технические требования к микрофонам очень высоки. Требуется обеспечить высокую разборчивость и узнавае­мость речевого сигнала, избежать появления различных искаже­ний и помех в пределах динамических диапазонов, достигающих при музыкальных программах 90... 100 дБ в частотной полосе до 15 кГц и более. Кроме того, нужно удовлетворять и эстетическим требованиям зрителей. Микрофон является связующим звеном между исполнителями и аппаратным комплексом радиовещатель­ной системы. При создании звуковой партии телевизионных про­грамм (например, эстрадных) он часто попадает в кадр изобра­жения. Это обстоятельство вызывает необходимость соответствия его конструкции современному дизайну.

Вещательные микрофоны стараются сделать обтекаемой фор­мы и малых размеров. Микрофон, помещенный в звуковое поле, нарушает его однородность из-за отражения звуковой волны от внешних поверхностей корпуса. Обтекаемая форма снижает от­ражения до минимума, позволяя на низких частотах звукового диапазона, где длина волны намного больше размера микрофона, ими пренебрегать, а при сравнимых размерах их учитывать. Ма­лые размеры микрофона позволяют считать его системой с сосре­доточенными параметрами.

Свойства микрофонов описываются многими техническими параметрами, основными из которых являются следующие:

1. Чувствительность—отношение напряжения U в вольтах на выходе микрофона к звуковому давлению р_зв в паскалях, воздей­ствующему на его входной элемент:

.

Чувствительность различна для ненагруженного микрофона в режиме холостого хода (если нагрузочное сопротивление не под­ключено и измеряется ЭДС на выходе микрофона) и нагружен­ного на номинальное активное сопротивление R_ном (обычно 250...1000 Ом). При определении чувствительности и других параметров микрофонов оговариваются и условия измерения. Обычно исполь­зуется методика измерения в «свободном» звуковом поле. Звуко­вое давление в определенной точке поля измеряется с помощью специального измерительного микрофона очень малых размеров. Далее в эту точку поля вместо измерительного микрофона поме­щают рабочий и измеряют его выходное напряжение относительно звукового давления, которое было измерено в его отсутствии. Оговаривается и частота, на которой определяется чувствитель­ность (обычно 1000 Гц).

Чувствительность зависит и от того, под каким углом она из­меряется по отношению к акустической оси микрофона. Для уточ­нения вводят термин «осевая чувствительность» Е_м.ос, поясняющий, что она измерена в направлении акустической (рабочей) оси.

Чувствительность выражают в виде уровня в децибелах отно­сительно ее условной величины — 1 В/Па.

Пользуются представлением осевой чувствительности в виде ее стандартного уровня. Стандартным уровнем осевой чувствитель­ности n_о.м называется выраженное в децибелах отношение мощ­ности Р, развиваемой микрофоном на номинальной нагрузке R_ном (при действующем на микрофон звуковом давлении р_зв=1 Па), к мощности 1 мВт:

где и—напряжение на нагрузке, численно равное чувствитель­ности микрофона при р_зв ==1 Па.

2. Направленность и характеристика направленности, вы­раженная через отношение чувствительности микрофона, изме­ряемой под различными углами оси симметрии микрофона относи­тельно нулевой координаты азимутальной плоскости. Характерис­тики (или диаграммы) направленности симметричны относительно акустической оси микрофона, однако могут иметь различную форму при различных частотах. Поэтому свойства направленно­сти характеризуются семейством диаграмм, построенных для ряда выбранных частот.

Направленный микрофон может обладать определенной чув­ствительностью не только с фронтальной стороны, обращенной к источнику звука, но и с обратной. Этот фактор учитывается от­дельным параметром «фронт-тыл», измеряемым путем поворота микрофона по отношению к направлению на источник звука на 180° и сравнения чувствительности при таком положении относи­тельно прямого положения.

3. Частотная характеристика—это зависимость осевой чувст­вительности или ее уровня от частоты. Ее отклонения от горизон­тальной линии в номинальном диапазоне для данного типа мик­рофона определяют частотные искажения. Сам номинальный час­тотный диапазон определяют по допустимым спадам чувствитель­ности в области нижних и верхних частот.

4. Уровень собственного шума микрофона, выраженный обыч­но через уровень эквивалентного ему звукового давления р_ш, от­несенный к значению порогового восприятия p_o=210^-5 Па.

При детальном анализе микрофонов или же их отдельных эле­ментов приведенные основные параметры могут быть дополнены другими, обычно удовлетворяющими требованиям (коэффициент нелинейных искажений, динамический диапазон и пр.).

2. Громкоговорители

Согласно принятому определению, под громкоговорителями понимаются пассивные электроакустические преобразователи, предназначенные для излучения звука в окружающее пространст­во. По способам излучения громкоговорители подразделяются на диффузорные — непосредственного излучения колеблющейся диа­фрагмой с гибкой подвеской и на рупорные — излучения с по­мощью жесткого рупора. Конструктивно каждый из громкогово­рителей представляет собой совокупность двух независимых уз­лов — головки и акустического оформления, согласованных по акустическим свойствам. Головка громкоговорителя — это собст­венно преобразователь сигналов звуковой частоты из электриче­ской формы в акустическую — содержит все необходимые для этого конструктивные элементы, определяемые способом электро­акустического преобразования. Акустическое оформление являет­ся элементом громкоговорителя, не участвующим в процессе ука­занного преобразования; оно лишь обеспечивает эффективное излучение звука в пространстве с помощью различного вида акусти­ческих экранов, ящиков, рупоров в разных вариантах построения. Основой для конструирования диффузорных громкоговорителей являются серийно выпускаемые специализированными предприяти­ями головки с различными электрическими и конструктивными па­раметрами, а сам громкоговоритель в зависимости от задаваемого класса качества комплектуется одной или несколькими головка­ми, в сумме дополняющими друг друга по акустическим свойст­вам. При разработке громкоговорителей часто налагается условие совмещения его с другим устройством: радиоприемником, магни­тофоном, телевизором, абонентским устройством проводного веща­ния и пр. В этих случаях головки располагают в общих корпусах и громкоговорители называют встроенными. Если же громкого­ворители создаются в отдельных корпусах как независимые уст­ройства, то их называют выносными. К ним принадлежат, напри­мер, звуковые колонки для стереофонического воспроизведения, бытовые электроакустические системы повышенного качества зву­чания и пр.

Рис. 2.1 Частотная характеристика электретного микрофона

Рис. 2.2. Головка диффузорного громкоговорителя

Свойства громкоговорителей и отдельно их головок (без аку­стического оформления) принято оценивать многими параметра­ми и характеристиками, оговоренными ГОСТ 16122—78 и др. Из многочисленного перечня выделим лишь основные.

Характеристика направленности — зависимость звукового дав­ления, развиваемого громкоговорителем (и головкой) на частоте F или в полосе частот со средней частотой F_cp в точке сво­бодного поля, находящейся на определенном расстоянии от рабо­чего центра, от угла между рабочей осью громкоговорителя (го­ловки) и направлением на указанную точку.

Частотная характеристика звукового давления (или просто ча­стотная характеристика)—зависимость от частоты звукового дав­ления, развиваемого громкоговорителем в точке свободного поля, находящейся на определенном расстоянии от рабочего центра излучателя, при постоянном напряжении на зажимах громкогово­рителя.

Номинальная мощность — максимальная мощность электриче­ского сигнала, подводимого к громкоговорителю, ограничиваемая нелинейными искажениями, устанавливаемыми для данного гром­коговорителя, при которой обеспечиваются его механическая и тепловая прочность.

Акустическая мощность — усредненная (во времени) мощность излучаемого громкоговорителем сигнала на частоте F (или в по­лосе частот со средней частотой F_cp).

Характеристическая чувствительность — отношение среднего звукового давления, создаваемого громкоговорителем в номиналь­ном диапазоне частот на расстоянии 1 м от рабочего центра на ра­бочей оси, к корню квадратному от подводимой мощности.

Основными опорными геометрическими параметрами громкого­ворителей являются: геометрический центр—точка, от которой ведется отсчет расстояний от громкоговорителя; рабочая ось—прямая, проходящая через центр громкоговорителя в направле­нии преимущественного использования или же перпендикулярная плоскости излучающего отверстия.

3. Волновая и статистическая теория акустических процессов помещения

Студия представляет собой замкнутый воздушный объем. Яв­ляясь колебательной системой с распределенными параметрами, он существенно влияет на временную структуру сигнала источни­ка звука, ощутимо изменяя окраску звучания. Известно, что речь звучит различно в большом пустом помещении и в жилой комнате. Звучание оркестра на открытом воздухе гораздо беднее в тембральном отношении, чем в помещении с хорошими акустическими свойствами.

Воздух, заполняющий помещение, имеет определенную упру­гость и массу, оказывает сопротивление распространяющейся в нем звуковой волне. С позиции волновой теории воздушный объ­ем закрытого помещения рассматривается как сложная многоре­зонансная колебательная система с распределенными параметра­ми. При воздействии сигнала, излучаемого источником звука, в воздушном объеме помещения возбуждаются собственные колеба­ния. Спектр собственных частот достаточно просто рассчитать лишь для помещений простых геометрических форм. Например, для помещений прямоугольной формы (с идеально жесткими от­ражающими поверхностями) длиной l, шириной b и высотой h соб­ственные частоты

,

где g, q, r — целые числа, каждой тройке их соответствует одна из собственных частот помещения. Заметим, что значения g, q, r оп­ределяют число стоячих волн, возникающих в помещении в на­правлениях l, b и h.

В помещениях малого объема ( , где —длина волны воз­буждающего колебания) спектр собственных частот имеет дискретную структуру (рис. 3.1,а, где цифрами сверху здесь показа­ны повторяющиеся частоты). Вследствие этого отдельные частот­ные составляющие спектра возбуждающего колебания усиливают­ся (подчеркиваются), что сопровождается искажением тембра звучания. Частоте 85 Гц соответствуют тройки чисел g, q и г, со­ответственно равные 4, 1, 5; 5, 0, 0; 0, 3, 0 и 0, 0, 2. Как видно из рис. 3.1,а, лишь в области нижних частот (даже для помещений такого небольшого объема) можно говорить о дискретной струк­туре спектра собственных частот. С повышением частоты этот спектр уплотняется. Важной характеристикой звукового поля ма­лых помещений является плотность спектра собственных частот— число в наперед заданном частотном интервале (рис. 3.1,6):

рде F_o—средняя частота выделенного частотного интервала ;