Акустика определение физика. Акустика. Природа звука. Физические характеристики звука. Тоны и шумы. Наука о звуке
Расстановка ударений: АКУ`СТИКА
АКУСТИКА (греч. akustikos - слуховой) - учение о звуке; раздел физики, изучающий свойства, возникновение, распространение и прием упругих волн в газообразных, жидких или твердых средах.
А. - одна из самых древних областей физики - зародилась в связи с потребностью дать объяснение явлениям слуха и речи. Так, еще Эмпедокл (490-430 гг. до н. э.) объяснял распространение и восприятие звуков движениями особого (тонкого) вещества, исходящего из звучащего тела и попадающего в ухо. Аристотель (384-322 гг. до н. э.) уже понимал, что звучащее тело вызывает сжатия н разрежения воздуха, и сумел объяснить процесс возникновения эха. Он четко разграничивал высоту, силу и тембр звука и связывал их с различиями в скорости и количестве движущегося воздуха и с устройством голосового аппарата. Пифагор (6 в. до н. э.) первый сформулировал законы колебания струн.
Этапом в развитии А. стали работы Галилея и Мерсенна (17 в.), к-рые установили количественные законы колебания струн и первыми определили скорость звука в воздухе. Гассенди (17 в.) установил, что скорость звука не зависит от его высоты. Братья Вебер (1825) и Савар (1820) показали, что распространение звука в жидкостях и упругих телах совершается по тем же законам, что и в воздухе. В 1863 г. вышла книга Гельмгольца «Учение о звуковых ощущениях», а в 1877-1878 гг. - труд Релея «Теория звука».
Гельмгольц объяснил физическую природу звуков, исходя из разработанного им метода анализа звуков (резонаторы Гельмгольца), объяснил восприятие звука законами физики.
Новый этап развития А. начался в связи с развитием электронной техники, созданием электронных усилителей, нахождением новых способов генерирования звуков вплоть до весьма высоких частот (миллионы колебаний в секунду). Особенно интенсивно А. стала развиваться в связи с проблемой радио- и телевещания.
Современную А. можно подразделить на общую, или теоретическую, физиологическую, медицинскую, музыкальную, архитектурную, техническую и атмосферную; выделяют также электроакустику и гидроакустику.
Общая , или теоретическая , акустика изучает (теоретически и экспериментально) процессы возникновения и распространения звука (см.), а также методы акустических измерений.
Колеблющееся тело (источник колебаний) создает в окружающей среде зоны попеременного увеличения и уменьшения давления, распространяющиеся в разные стороны в виде упругих колебаний (волн) со скоростями, определяемыми свойствами среды, в к-рой они распространяются. Напр., скорость распространения упругих волн в воздухе при t ° 0° составляет 331 м/сек , в воде - 1440-1500 м/сек , в костной ткани - 3380 м/сек . Упругие колебания характеризуются частотой колебания (f), длиной волны (λ), интенсивностью колебания (I). Частота колебаний определяется в герцах (гц ); 1 гц равен одному колебанию в секунду. Если частота упругих колебаний находится в пределах 16-20000 гц , то они воспринимаются органом слуха человека в виде звука, высота к-рого определяется частотой колебаний; при этом большей частоте соответствуют более высокие звуки.
Сила звука определяется через интенсивность звука или количество звуковой энергии, протекающей через 1 см 2 за 1 сек. Интенсивность колебания максимальна у источника колебаний, убывает с расстоянием.
Колебания ниже 16 и выше 20000 гц (с отклонениями в ту или иную сторону) ухом человека в виде звуков не воспринимаются и носят название инфразвуков (см.) и ультразвуков (см.). Вместе с тем человек через кости черепа способен воспринимать ультразвуки с частотой порядка 100000-150000 гц . Инфразвуковые колебания могут восприниматься организмом вибротактильно (см. Вибрация ). Границы восприятия звуковых волн животными существенно отличаются от указанных цифр (напр., морские свинки, хомяки и нек-рые другие животные воспринимают звуки с частотой до 100000 гц ).
Физиологическая акустика изучает физику и биофизику органов слуха и речи, а также последствия действия упругих колебаний, поскольку последние способны оказывать на биологические объекты (в т. ч. и на организм в целом) механическое, тепловое и физ.-хим. воздействия. Важное значение при этом имеют интенсивность звуковой энергии и частота. Так, напр., при интенсивности звука порядка 10 -4 вт/см 2 наступает болевое ощущение. Интенсивные звуки, лежащие даже ниже порога болевого ощущения, вредно сказываются на здоровье и работоспособности. Продолжительное действие сильного шума может привести к тугоухости (см.), иногда к глухоте (см.) или специфическому повреждению органа слуха в результате воздействия звуков чрезмерной силы (см. Акустическая травма ). Вместе с тем чувствительность уха человека к звукам различной высоты неодинакова. Наибольшую чувствительность ухо имеет к тонам 1000-3000 гц .
Упругие колебания различных диапазонов частот вызывают специфические воздействия, однако для всех диапазонов частот имеется общее в характере их действия: 1) при малых интенсивностях звуковое воздействие на биологический субстрат практически отсутствует; 2) при средних интенсивностях воздействие упругих колебаний вызывает механические, тепловые и физ.-хим. изменения; 3) при больших интенсивностях в биологическом субстрате происходят необратимые изменения, ведущие иногда к гибели организма (см. Звук , биологический эффект действия звуков большой интенсивности).
Медицинская акустика , используя приемы и методы физиологической А., исследует и изыскивает возможности применения упругих колебаний в практической медицине (диагностике, терапии, хирургии).
Особое внимание уделяется изучению упругих колебаний, возникающих в организме человека при работе его внутренних органов и кровеносной системы (напр., механическая деятельность сердца, легких, пульсовые волны и т. д.). Эти исследования, проводимые в условиях нормы и патологии, служат основой создания акустических приборов и аппаратов, а также нек-рых методов исследования (напр., аускультация, пневмография, фонокардиография). Для диагностики заболеваний органа слуха, а также исследования слухового анализатора используется внешний звуковой генератор (см. Аудиометрия , аудиометр).
Одним из разделов использования звуковых колебаний в медицине являются устройства для протезирования голосового аппарата и коррекция слуха больного (см. Слуховые аппараты ).
Особенно широко применяется ультразвук. Он используется для терапии, обеспечивая высокую эффективность лечебного действия, все шире применяется в диагностических целях, дополняя рентгенографию. Ультразвук нашел применение в хирургии, что обусловлено легкостью получения мощных ультразвуков, при необходимости в виде тонких пучков с возможностью фокусировки их подобно оптическим лучам. Это используется при лечении нек-рых болезней мозга, когда необходимо локально некротизировать ткань (интенсивность каждого из направленных в заданную точку лучей ультразвука недостаточна, чтобы вызвать какое-либо патологическое изменение, но в фокусе их суммарная интенсивность оказывается достаточной, чтобы некротизировать ткань).
Ультразвуки обладают выраженными бактерицидными свойствами, что нашло применение, напр., при стерилизации молока, консервов и т. д. Ультразвук применяют и при очистке инструментов (на основе явления кавитации), в частности хирургических, и в первую очередь полых игл для инъекций (более подробно о применении ультразвука в медицине - см. Ультразвук ).
Одним из аспектов практического применения результатов исследований в области А. является сан. нормирование шума (см.). Уровень шума и его спектральный анализ измеряют шумомерами и анализаторами спектра звуков. На основании специальных работ, учитывающих вредное действие шума на организм человека, разработаны предельно допустимые нормы шума для различных условий. Аналогичные работы проведены и в области санитарного нормирования вибрации (см.).
Основные виды применения акустики в медицинской практике см. выше.
Архитектурная акустика изучает звуковые процессы в закрытых помещениях с точки зрения обеспечения хорошей слышимости речи и музыки во всех точках, где могут находиться слушатели, и др.
Атмосферная акустика занимается гл. обр. изучением закономерностей распространения звука в свободной атмосфере.
Техническая акустика рассматривает в основном практическую возможность приложения А. к технике передачи отдельных звуков, речи и музыки, что связано гл. обр. с проблемами преобразования звуковой энергии в электрическую; поэтому техническую А. нередко называют электроакустикой . Техническая А. наряду с общей, или теоретической, занимается вопросами создания измерительной, принимающей и передающей аппаратуры.
Особый раздел технической А. составляет гидроакустика , изучающая распространение звуковых волн и лучей в жидкой среде, и в первую очередь в воде.
Библиогр .: Беранек Л . Акустические измерения, пер. с англ., М., 1952; Красильников В. А . Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах, М., 1960; Лэмб Г . Динамическая теория звука, пер. с англ., М., 1960; Поль Р. В . Механика, акустика и учение о теплоте, пер. с нем., М., 1971; Стретт Д. В . (Рэлей Д. В .), Теория звука, пер. с англ., т. 1 - 2, М., 1955; Скучик Е . Основы акустики, пер. с нем., т. 1 - 2, М.,19 58 - 1959; Мorse P. M . a. Ingard К. U . Theoretical acoustics, N. Y. а. о., 1968.
Л. А. Водолазский, А. А. Чевненко.
Источники:
- Большая медицинская энциклопедия. Том 1/Главный редактор академик Б. В. Петровский; издательство «Советская энциклопедия»; Москва, 1974.- 576 с.
Звук - это феномен, волновавший человеческие умы с глубокой древности. Фактически мир разнообразных звуков возник на Земле задолго до появления на ней человеческих существ. Первые звуки раздавались ещё во время зарождения нашей планеты. Они были вызваны мощнейшими ударами, колебаниями материи и бурлением раскалённого вещества.
Звук в природной среде
Когда на планете появились первые животные, у них со временем возникла острая потребность получать как можно больше информации об окружающей действительности. А поскольку звук является одним из главных носителей информации, то у представителей фауны стали происходить эволюционные изменения головного мозга, которые постепенно привели к образованию органов слуха.
Теперь первобытные животные могли получать посредством улавливания звуковых колебаний необходимую информацию об опасности, часто исходящей от невидимых взору объектов. Позднее живые существа научились использовать звуки для других целей. Сфера применения аудиоинформации росла в процессе эволюции самих животных. Звуковые сигналы стали служить средством примитивного общения между ними. Звуками они стали предупреждать друг друга об опасности, также он служил зовом к объединению для существ со стадными инстинктами.
Человек - повелитель звуков
Но лишь человеку удалось научиться в полной мере использовать звук в своих целях. В один прекрасный момент люди столкнулись с необходимостью передачи знаний друг другу и из поколения в поколение. Этим целям человек подчинил многообразие звуков, которые научился со временем издавать и воспринимать. Из этого множества звуков впоследствии возникла речь. Звук стал также наполнением досуга. Люди открыли для себя благозвучность свиста спускаемой тетивы лука, энергичность ритмичных ударов деревянных предметов друг о друга. Так возникли первые, самые простые музыкальные инструменты, а значит, и само музыкальное искусство.
Однако человеческое общение и музыка - не единственные звуки, которые появились на Земле с возникновением людей. Звуками сопровождались и многочисленные трудовые процессы: изготовление различных предметов из камня и дерева. А с появлением цивилизации, с изобретением колеса люди в первый раз столкнулись с проблемой громкого шума. Известно, что уже в древнем мире стук колёс о дороги, вымощенные камнем, нередко становился причиной плохого сна у жителей придорожных домов. В борьбе с этим шумом было изобретено первое средство шумоподавления: на мостовую настилалась солома.
Нарастающая проблема шума
Когда человечество познало пользу железа, проблема шума начала приобретать глобальные масштабы. Изобретя порох, человек создал тем самым источник звука такой мощности, которая достаточна для причинения заметного ущерба его собственному слуховому аппарату. В эпоху промышленной революции среди таких негативных побочных явлений, как загрязнение окружающей среды, истощение природных ресурсов, не последнее место занимает проблема промышленного шума высокой громкости.
Анекдот из жизни
Тем не менее даже в настоящее время не все производители промышленной техники уделяют хоть какое-то внимание данному вопросу. Руководство далеко не всех заводов и фабрик озабочено сохранением здорового слуха у своих подчинённых.
Иногда приходится слышать рассказы, подобные этому. Главный инженер одного из крупных предприятий промышленности распорядился установить в наиболее шумных цехах микрофоны, подсоединённые к громкоговорителям, расположенным снаружи зданий. По его мнению, таким образом микрофоны будут высасывать часть шума наружу. Конечно, при всей комичности данной истории она заставляет задуматься о причинах такой безграмотности в вопросах, касающихся шумоподавления и шумоизоляции. А причина у этого единственная - в учебных заведениях высшего, средне-профессионального и средне-специального уровня образования лишь в последние десятилетия стали вводить специальные курсы по акустике.
Наука о звуке
Первые попытки познания природы звука были предприняты ещё Пифагором, который изучал колебания струны. После Пифагора в течение долгих веков эта область не вызывала никакого интереса у исследователей. Конечно, целый ряд учёных древности занимался построением собственных акустических теорий, но эти научные изыскания не основывались на математических расчётах, а были больше похожи на разрозненные философские рассуждения.
И лишь по прошествии более чем тысячи лет Галилей положил начало новой науке о звуке - акустике. Виднейшими первопроходцами в этой сфере были Рэлей и Гельмгольц. Они создали в девятнадцатом веке теоретическую основу современной акустики. Герман Гельмгольц в основном знаменит своим изучением свойств резонаторов, а Релей стал нобелевским лауреатом благодаря своей фундаментальной работе по теории звука.
Основные направления современной акустики
Многочисленные научные труды по исследованию природы шума и вопросам шумоподавления и шумоизоляции были опубликованы некоторое время спустя. Первые работы в этой области касались в основном шумов, производимых авиационной техникой и наземных транспортом. Но со временем границы этих исследований значительно расширились. На данный момент большинство промышленно-развитых стран имеют свои научно-исследовательские институты, занимающиеся разработкой решения данных проблем.
На сегодняшний день наиболее известны следующие разделы акустики: общая, геометрическая, архитектурная, строительная, психологическая, музыкальная, биологическая, электрическая, авиационная, транспортная, медицинская, ультразвуковая, квантовая, речевая, цифровая. В следующих главах будут рассмотрены некоторые из перечисленных разделов науки о звуке.
Общие положения
Прежде всего, следует дать определение науке, о которой идёт речь в данной статье. Акустика - это область знания о природе звука. Данная наука изучает такие явления, как возникновение, распространение, ощущение звука и различные эффекты, производимые звуком на органы слуха. Как и все прочие науки, акустика имеет свой понятийный аппарат.
Акустика - это наука, считающаяся одной из отраслей физической науки. Вместе с тем она также является междисциплинарной отраслью, то есть имеет тесные связи с другими областями знаний. Наиболее отчётливо прослеживается взаимодействие акустики с механикой, архитектурой, теорией музыки, психологией, электроникой, математикой. Важнейшие формулы акустики касаются свойств распространения звуковых волн в условиях упругой среды: уравнения плоской и стоячей волн, формулы расчёта скорости волн.
Применение в музыке
Музыкальная акустика - отрасль, исследующая музыкальные звуки с точки зрения физики. Данная отрасль тоже является междисциплинарной. В научных трудах по музыкальной акустике активно используются достижения математической науки, музыкальной теории и психологии. Основные понятия этой науки: звуковысотность, динамические и тембральные оттенки используемых в музыке звуков. Данный раздел акустики преимущественно направлен на исследование ощущений, возникающих при восприятии звуков человеком, а также особенностей музыкального интонирования (воспроизведения звуков определённой высоты). Одной из обширнейших тем исследования музыкальной акустики является тема музыкальных инструментов.
Применение на практике
Учёные, занимающиеся теорией музыки, применяли результаты исследований музыкальной акустики для построения концепций музыки на базе естественных наук. Физики и психологи занимались вопросами музыкального восприятия. Отечественные учёные, трудившиеся на этом поприще, работали как над разработкой теоретической базы (Н. Гарбузов известен своей теорией о зонах музыкального восприятия), так и над применением достижений на практике (Л. Термен, А. Володин, Е. Мурзин занимались конструированием электромузыкальных инструментов).
В последние годы всё чаще стали появляться междисциплинарные научные работы, в которых комплексно рассматривается особенность акустики зданий, относящихся к различным архитектурным стилям и эпохам. Данные, полученные при исследованиях в данной сфере, используются при построении методик развития музыкального слуха и техник настройки музыкальных инструментов. Следовательно, можно сделать вывод, что музыкальная акустика - отрасль науки, которая не потеряла своей актуальности на сегодняшний день.
Ультразвук
Далеко не все звуки могут быть восприняты человеческими органами слуха. Ультразвуковая акустика - раздел акустики, изучающий звуковые колебания с диапазоном от двадцати кГц. Звуки такой частоты находятся за гранью человеческого восприятия. Ультразвук подразделяется на три вида: низкочастотный, среднечастотный, высокочастотный. Каждый из видов имеет свою специфику воспроизведения и практического применения. Ультразвуки могут быть созданы не только искусственно. Они нередко встречаются и в живой природе. Так, шум, издаваемый ветром, частично состоит из ультразвука. Также такие звуки воспроизводятся некоторыми животными и улавливаются их органами слуха. Всем известно, что летучая мышь является одним из таких существ.
Ультразвуковая акустика - это отрасль акустики, которая нашла практическое применение в медицине, при различных научных опытах и исследованиях, в военной промышленности. В частности, в начале двадцатого века в России было изобретено устройство для обнаружения подводных айсбергов. Работа этого устройства основывалась на генерации и улавливании ультразвуковых волн. Из данного примера видно, что ультразвуковая акустика - это наука, достижения которой используются на практике уже более ста лет.
Звук как явление физическое представляет собой колебательные движения материальных тел — твердых, газообразных или жидких. Возникновение слуховых ощущений человека связано, как правило, именно с колебаниями воздуха. Вот поэтому в безвоздушной среде передача звука становится невозможной.
Колебания воздуха, воспринимаемые органом слуха человека как звук, в естественных условиях имеют очень широкий диапазон величин давления, в связи с этим принято пользоваться логарифмической шкалой, выражая уровень интенсивности в белах (Б) или децибелах (дБ). Децибел — единица уровня интенсивности, равная десятикратному десятичному логарифму отношения интенсивности одного звука к некоторой другой интенсивности звука, условно принятой за уровень отсчета и близкой к пороговой.
Встречающиеся в природе звуки характеризуются примерно следующим соотношением:
Колебания, имеющие интенсивности, выходящие за пределы данного диапазона, как звук уже не воспринимаются, то есть они или совсем не слышны и не вызывают практически никаких ощущений, или воспринимаются тактильными и болевыми рецепторами и дают ощущения давления или боли, вытесняющие слуховые ощущения.
Звук как колебательный процесс характеризуется также частотой, которая по существу представляет собой описание изменений звукового давления во времени. Если эти изменения имеют правильный синусоидальный характер, то говорят о чистом тоне. В реальных условиях к такому чистому основному тону, как правило, примешивается еще некоторое количество добавочных тонов, которые придают звуку его часто неповторимую индивидуальность. Звук считается чистым, если добавочные тоны по своей акустической энергии не превышают 10 процентов. В жизни нам нередко приходится сталкиваться с естественными чистыми звуками. Это звуки, издаваемые птицами и зверями, это и звуки, получающиеся при произнесении нами гласных.
Звуки, в которых нельзя выделить основного тона и в которых соответственно колебания звукового давления описываются более сложной, чем синусоидальная, зависимостью, обозначают как шумы. И если акустическая энергия распределена равномерно по всему спектру, то говорят о «белом» шуме.
Орган слуха человека воспринимает колебания воздуха (при достаточном уровне интенсивности) в диапазоне от 16 герц до 20 килогерц, и соответственно эти частоты в физике и технике обозначают как звуковые, а менее 16 герц — как инфразвук и более 20 килогерц — как ультразвук. Человек инфра- и ультразвуковые колебания не слышит, сколь бы большой интенсивности они ни были. Но это совсем не означает, что такие виды энергии вообще на человека не действуют. Они представляют собой типичный пример раздражителей, которые мы с вами обозначили ранее как «внерецепторные», то есть которые не вызывают специфических ощущений. Человек же начинает ощущать их опосредованно в результате взаимодействия, и нередко неблагоприятного, с тканями нашего тела.
Звук как колебательный процесс характеризуется также длиной волны, которая количественно при неизменной частоте может меняться в зависимости от скорости распространения звука. Эта скорость в воздухе при температуре 0 градусов по шкале Цельсия и нормальном атмосферном давлении составляет 332 метра в секунду, возрастая при повышении давления и температуры воздуха.
В более плотной среде скорость распространения звука значительно выше, составляя при этом: в граните — 6000 метров в секунду, в стекле — 5500 метров в секунду, в алюминии — 5140 метров в секунду, в железе и стали — 5000 метров в секунду, в твердых породах дерева (в продольном направлении) — 4000 метров в секунду, в меди — 3560 метров в секунду и в воде (при температуре 19 градусов по шкале Цельсия) — 1461 метр в секунду. Таким образом, звуковые колебания одной и той же частоты в разных средах имеют различную длину волны. Это оказывается небезразличным для нашего слуха и обусловливает некоторые особенности слухового восприятия при пребывании человека под водой. А теперь рассмотрим механизм восприятия звука.
Прежде всего, давайте разберемся с терминами, поскольку понятия «громкоговоритель», «колонка», «динамик», «акустическая система» часто используют наугад, создавая изрядную путаницу.
Громкоговоритель – это устройство, предназначенное для эффективного излучения звука в окружающее пространство в воздушной среде, содержащее одну или несколько головок громкоговорителей при наличии акустического оформления и электрических устройств (фильтры, регуляторы и т.д.).
В отечественной технической литературе сложилась ошибочная практика, в соответствии с которой термин «громкоговоритель» (ГГ) применяется в основном для одиночного громкоговорителя (в зарубежных каталогах он определяется как loudspeaker units или loudspeaker drive element, или driver). В соответствии с требованиями ГОСТ 16122-87 одиночный громкоговоритель должен обозначаться как головка громкоговорителя .
К набору громкоговорителей классов Hi-Fi и Hi-End часто применяют термин акустическая система (AC) (acoustical system или loudspeaker system). Акустическая система включает в себя акустические колонки .
В зависимости от назначения АС существенно различаются по параметрам, конструктивному исполнению и дизайну. Основные виды акустических систем, представленных на современном рынке, условно можно разделить на несколько категорий в зависимости от области их применения:
- АС для домашнего применения, которые в свою очередь можно подразделить на системы:
- массовые;
- категории Hi-Fi и High-End;
- АС для домашних аудио видео комплексов типа «Домашний кинотеатр» (Home-Theatre);
- для современных компьютерных систем (AC Multi-Media) и др.;
- АС для систем озвучивания и звукоусиления, в том числе для конференц-систем и систем перевода речей (к ним, в частности, относятся потолочные акустические системы);
- концертно-театральные АС;
- студийные АС;
- автомобильные (и вообще транспортные) АС;
- АС для индивидуального прослушивания (головные стерео телефоны).
Устройство АС
АС могут быть однополосными и многополосными . Однополосные АС используются, как правило, в массовой аппаратуре бюджетного сектора. В высококачественных АС (рис. 1) используется многополосный принцип построения, поскольку применение одной широкополосной головки громкоговорителя не позволяет обеспечить высокое качество звучания.
АС состоит, как правило, из:
- головок громкоговорителей , каждая из которых (или несколько одновременно) работают в своем частотном диапазоне;
- корпуса ;
- фильтрующе-корректирующих цепей , а также других электронных устройств (например, для защиты от перегрузок, индикации уровня и т.д.);
- звуковых кабелей и входных клемм;
- усилителей для активных акустических систем и кроссоверов (активных фильтров).
Рис. 1. Акустическая система Defender
Головки громкоговорителей
Головки громкоговорителей классифицируются по принципу действия, по способу излучения, по полосе передаваемых частот, по области применения и т.д.
По принципу действия , т.е. по способу преобразования электрической энергии в акустическую, громкоговорители делят на электродинамические, электростатические, пьезокерамические (пьезопленочные), плазменные и др.
Подавляющее большинство головок громкоговорителей электродинамические («динамические» или просто «динамики»). Их принцип действия основан на движении в постоянном магнитном поле проводника или катушки, питаемых переменным током (рис. 2).
Рис. 2. Электродинамический катушечный громкоговоритель
Головка электродинамического громкоговорителя состоит из подвижной системы, магнитной цепи и диффузородержателя (1).
Подвижная система включает в себя подвес (2), диафрагму (3), центрирующую шайбу (4), пылезащитный колпачок (5), звуковую катушку (6) и гибкие выводы.
При пропускании переменного тока по звуковой катушке, помещенной в радиальный зазор магнитной цепи, на нее будет действовать механическая сила. Под действием этой силы возникают осевые колебания катушки и скрепленной с ней диафрагмы. Конструкция электродинамического громкоговорителя очень похожа на конструкцию динамического микрофона, поэтому, в принципе, из динамического микрофона можно получить слабенькую головку громкоговорителя, а из головки громкоговорителя – микрофон. Понятно, что работать все это будет отвратительно, но работать будет.
Рис. 3. Ленточный громкоговоритель
Ленточные громкоговорители (рис. 3) используют тонкую металлическую ленточку, которая помещается в магнитное поле между полюсами магнита и служит одновременно и проводником тока и колеблющимся излучающим элементом.
Ленточные головки гораздо эффективнее динамических, пьезоэлектрических и других, поскольку если площадь конического или купольного диффузора – это площадь видимого круга, то активная площадь ленточного излучателя – это полная развертка сложенной мембраны (эффективная площадь в 2,5 раз больше площади проекции сложенной ленты). Таким образом, для получения необходимого уровня звукового давления требуется меньшее перемещение диффузора.
Рис. 4. Электростатический громкоговоритель
Электростатические громкоговорители (рис. 4) используют излучающий элемент в виде тонкой металлизированной пленки (1) толщиной порядка 6...10 мкм, помещенной между перфорированными электродами (2) (т.е. это конденсатор переменной емкости, где одной из обкладок служит тонкая металлизированная подвижная мембрана). Между мембраной и электродами приложено высокое поляризующее напряжение порядка 8...10 кВ. Переменное звуковое напряжение, под действием которого мембрана колеблется и излучает звук, подводится к неподвижным электродам. Громкоговорители такого типа обеспечивают чистоту и прозрачность звучания за счет малых уровней переходных искажений.
Рис. 5. Модельный ряд электростатических громкоговорителей Final
Рис. 6. Центральный громкоговоритель электростатической АС. Model 200
На рис. 5 показан модельный ряд электростатических громкоговорителей Final, а на рис. 6 – крупным планом центральный громкоговоритель АС.
Рис. 7. Пьезопленочный громкоговоритель
Пьезокерамические (пьезопленочные) громкоговорители (рис. 7) используются в основном в качестве высокочастотного звена в акустических системах. В качестве возбуждающего элемента в них применяется биморфный элемент, полученный путем соединения двух пластин (1), (3) из пьезокерамики (цирконата титана, титаната бария и др.). Биморфный элемент закрепляется с двух сторон, при подведении электрического сигнала в нем происходят изгибные деформации, которые передаются соединенной с ним диафрагме (2). Разновидностью такого типа громкоговорителей являются пьезопленочные излучатели, в них используются высокополимерные пленки, которым при помощи специально отработанной технологии придаются пьезоэлектрические свойства (при их поляризации в сильном магнитном поле). Если такой пленке придать форму купола или цилиндра, то под действием приложенного к ней переменного напряжения она начинает вибрировать и излучать звук, для таких громкоговорителей не требуется применение магнитной цепи.
По способу излучения акустической энергии головки громкоговорителей делятся на головки прямого излучения, у которых диафрагма излучает звук непосредственно в окружающую среду, и рупорные (рис. 8), у которых диафрагма излучает звук через рупор. Если рупорный громкоговоритель имеет предрупорную камеру, то он называется узкогорлым рупорным громкоговорителем, а если используется только рупор, то это широкогорлый рупорный громкоговоритель.
Рис. 8. Рупорный громкоговоритель
Рупорные громкоговорители широко используют при создании систем озвучивания улиц, стадионов, площадей, систем звукоусиления в различных помещениях, бытовых высококачественных систем, систем оповещения и др.
Причины распространения рупорных громкоговорителей обусловлены, прежде всего, тем, что они обладают большей эффективностью, их КПД составляет 10-20 % и более (в обычных громкоговорителях КПД меньше 1...2 %); кроме того, применение жестких рупоров позволяет формировать заданную характеристику направленности, что очень важно при проектировании систем звукоусиления. Однако при использовании рупорных громкоговорителей возникают проблемы, связанные с тем, что для излучения низких частот необходимо значительно увеличивать размеры рупора, а большие уровни звукового давления в предрупорной камере создают дополнительные нелинейные искажения.
Конструкция головок громкоговорителей зависит от того, в какой полосе частот они должны работать. По этому признаку громкоговорители разделяются на:
- широкополосные (OO «full-range»);
- низкочастотные (воспроизводимый диапазон примерно 20-40...500-1000 Гц) («woofer», «subwoofer»);
- среднечастотные (диапазон 0,3-0,5...5-8 кГц) («mid-range»);
- высокочастотные (1-2..16-30 кГц) («tweeter») и др.
Большая часть мощности аудиосигналов обычно приходится на низкочастотные ГГ, поэтому они должны воспринимать нагрузки до 200 Вт и более, сохраняя тепловую и механическую прочность. Эти ГГ имеют низкую резонансную частоту (16...30 Гц) и должны быть рассчитаны на большой ход подвижной системы вплоть до ±12...15 мм.
Внешний вид современного низкочастотного ГГ для высококачественных АС показан на рис. 9.
Основным излучающим элементом громкоговорителя является диафрагма. Диафрагмы современных низкочастотных ГГ изготавливаются из сложных композиций на основе натуральной длинноволокнистой целлюлозы с различными добавками. Иногда в состав такой композиции входит до 10-15 составляющих. Все шире используют синтетические пленочные композиции на основе полиолефинов (полипропилена и полиэтилена) и композиционные материалы на основе ткани «кевлар».
Рис. 9. НЧ громкоговоритель
АС для домашних кинотеатров, (особенно центрального и фронтальных каналов, а также сабвуфера) требует применения тщательно экранированных НЧ ГГ.
Среднечастотные громкоговорители (СЧ ГГ) используются в диапазоне ча- стот от 200... 800 Гц до 5...8 кГц, где чувствительность слуха ко всем видам ис- кажений максимальна, поэтому требования к их качеству наиболее жесткие.
Высокочастотные громкоговорители (ВЧ ГГ). (рис. 10). Требования к ним за последние годы резко возросли в связи с увеличением спектральной плотности мощности в высокочастотной части спектра в современной электронной музыке, расширением частотного и динамического диапазона программ, воспроизводимых цифровой звуковоспроизводящей аппаратурой и др.
В современных АС высокочастотные ГГ используются, как правило, в диапазоне частот от 2...5 до 30...40 кГц. Обеспечить равноценное качественное воспроизведение звука в таком широком диапазоне при помощи одного ГГ чрезвычайно трудно. Поэтому большая часть выпускаемых в настоящее время ВЧ ГГ применяются в диапазоне от 2... 5 до 16... 18 кГц, а в некоторых АС устанавливаются дополнительные малогабаритные ВЧ ГГ (воспроизводящие частоты от 8... 10 до 30... 40 кГц).
Рис. 10. ВЧ ГГ
Потолочные громкоговорители
Потолочные громкоговорители – это, как правило, электродинамические диффузорные громкоговорители, заключенные в пластиковые или металлические корпуса. Их используют для озвучивания помещений и в системах аварийного оповещения зданий. Благодаря большому углу раскрытия диаграммы направленности звука и широкому диапазону воспроизводимых частот потолочные громкоговорители способны довольно качественно воспроизводить звук, кроме того, они гармонично вписываются практически в любой интерьер.
Потолочные громкоговорители обеспечивают более равномерное по сравнению с другими громкоговорителями распределение звука по объему помещения и не требуют при этом установки мощных усилителей. Их применение особенно эффективно для озвучивания больших помещений с высотой потолка до 5 м.
Для удобства монтажа корпус потолочного громкоговорителя снабжается специальными приспособлениями: подпружиненными упорами, полозьями или кронштейнами. Многие громкоговорители крепятся к потолочным плитам с помощью шурупов. В отличие от «обычных» систем озвучивания, системы на основе потолочных громкоговорителей высоковольтные, типичное значение напряжения в линии составляет 100 В, поэтому потолочные громкоговорители имеют встроенные трансформаторы.
При проектировании системы оповещения расчет необходимого количества потолочных громкоговорителей и схемы их размещения (рис. 11) производится исходя из требуемого уровня звукового давления на уровне ушей слушателей (обычно берется среднее значение 1,5 м). Для помещений с высотой потолка менее 5 метров такой расчет не представляет трудностей и производится по приближенным формулам. В таблице 1 для определенной высоты потолков и площади помещения указано количество потолочных громкоговорителей, которое дает наилучшее качество звука и наиболее равномерное распределение звуковых волн.
Рис. 11. Схема размещения потолочных громкоговорителей
Параметр S в таблице – это приблизительная площадь, которую озвучивает один потолочный громкоговоритель:
S = {2х(H – 1,5 м)}2, где Н – высота потолка.
Таблица 1. К расчету системы оповещения
| P | 103,5 | 101 | 99 | 97,5 | 96 |
| P/2 | 100,5 | 98 | 96 | 94,5 | 93 |
| H/S | 3 | 3,5 | 4 | 4,5 | 5 |
| 25 | 2 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 35 | 3 | 2 | 1 | 1 | 1 |
| 50 | 4 | 2 | 1 | 1 | 1 |
| 80 | 6 | 3 | 2 | 2 | 1 |
| 100 | 7 | 4 | 3 | 2 | 2 |
| 150 | 10 | 6 | 4 | 3 | 2 |
| 200 | 13 | 8 | 5 | 4 | 3 |
| 300 | 20 | 11 | 7 | 5 | 4 |
| 400 | 26 | 15 | 10 | 7 | 5 |
| 500 | 33 | 19 | 12 | 8 | 6 |
| 600 | 40 | 22 | 14 | 10 | 8 |
| 700 | 46 | 26 | 17 | 12 | 9 |
| 800 | 53 | 30 | 19 | 13 | 10 |
| 900 | 59 | 33 | 22 | 15 | 11 |
| 1000 | 66 | 37 | 24 | 17 | 12 |
В таблице:
P – звуковое давление на уровне 1,5 м, когда потолочный громкоговоритель работает на полную мощность;
P/2 – звуковое давление на уровне 1,5 м, когда потолочный громкоговоритель работает на половину максимальной мощности;
H – высота потолка;
S – площадь помещения.
Если высота потолков больше 5 метров, устанавливать потолочные громкоговорители не рекомендуется. Однако если необходимо использовать именно потолочные громкоговорители, следует принять меры для повышения равномерности распределения звука и снижения эффекта реверберации (эха). Если потолочные громкоговорители размещены слишком близко друг к другу, то на уровне ушей слушателей звук будет распределяться неравномерно. Если увеличить расстояние между соседними громкоговорителями, то уровень звукового давления может оказаться недостаточным для хорошей слышимости. Повышение уровня звука громкоговорителей в этом случае влечет за собой увеличение реверберации, особенно в помещениях, отделанных стеклом, мрамором и т.д. Реверберацию можно снизить с помощью звукопоглощающих материалов: ковров, гобеленов, портьер и др.
На рис. 12 и 13 показаны примеры врезных и навесных потолочных громкоговорителей компании Kramer Electronics.
Корпус акустической системы. Основные виды корпусов и их назначение
Корпус АС выполняет многообразные функции. В области НЧ он блокирует эффект «акустического короткого замыкания», возникающий за счет сложения излучаемого звука от передней и тыловой поверхности диафрагмы в противофазе, что приводит к подавлению низкочастотного излучения.
Применение корпуса позволяет увеличить интенсивность излучения на низких частотах, а также увеличить механическое демпфирование громкоговорителей, что позволяет «сгладить» резонансы и уменьшить неравномерность амплитудно-частотной характеристики. Корпус оказывает существенное влияние не только в области низких, но и в области средних и высоких частот. Правильно спроектированный и изготовленный корпус оказывает огромное влияние на качество звука.
При проектировании корпусов АС чаще всего используют такие варианты конструктивного оформления, как бесконечный экран, закрытый корпус, корпус с фазоинвертором, лабиринт, трансмиссионная линия и др.
Бесконечный экран возникает, когда громкоговорители устанавливаются в стене комнаты с достаточно большим объемом за ним. Для такой установки громкоговорителей характерен эффект «бубнения» на низких частотах, поскольку отсутствует демпфирование.
Закрытый корпус. В современных АС применяют в основном закрытые корпуса компрессионного типа. Принцип работы компрессионного оформления состоит в том, что в них используются громкоговорители с очень гибким подвесом и большой массой, т.е. низкой резонансной частотой. В этом случае упругость воздуха в корпусе становится определяющим фактором, именно она начинает вносить основной вклад в возвращающую силу, приложенную к диафрагме.
Корпус с фазоинвертором – корпус, в котором сделано отверстие, что позволяет использовать излучение тыльной поверхности диффузора. Максимальный эффект достигается в области частоты резонанса колебательной системы, образуемой массой воздуха в отверстии или трубе и массой воздуха в корпусе.
Корпуса с фазоинвертором (рис. 14 а) имеют много разновидностей. Корпус, использующий специальную трубу, вставленную в отверстие, позволяет уменьшить размеры корпуса и при помощи регулировки размеров трубы настраивать фазоинвертор (рис. 14 б).
Если в отверстие корпуса устанавливается пассивный (т.е. без магнитной цепи) громкоговоритель, колебания которого возбуждаются за счет колебаний объема воздуха, заключенного в корпус, то такой корпус называется корпусом с пассивным излучателем (рис. 14 в).
Рис. 14. Корпус АС с различными вариантами фазоинверторов: а – фазоинвертор; б – фазоинвертор с трубой; в – пассивный излучатель
Лабиринт представляет собой вариант корпуса с фазоинвертором, в котором устанавливаются специальные перегородки. Когда длина лабиринта достигает 1/4 длины волны на частоте резонанса низкочастотного громкоговорителя, он действует аналогично фазоинвертору. Применение лабиринта расширяет возможности для настройки на более низкие частоты. Резонансы на гармониках от основной резонансной частоты трубы демпфируются звукопоглощающими материалами на стенках корпуса (рис. 15 а).
Рис. 15. Корпус АС типа лабиринта (а) и типа трансмиссионной линии (б)
Трансмиссионная линия – это разновидность лабиринта. Она отличается от лабиринта тем, что звукопоглощающим материалом забивается весь объем корпуса, и поперечное сечение линии делается переменным – больше у конуса, меньше у отверстия (рис. 15 б). Корпуса такого типа очень сложны в настройке.
Если в корпусе установлены две одинаковых ГГ на один фазоинвертор, то это называется «низкочастотное оформление с симметричной нагрузкой». Такое оформление часто используют в сабвуферах.
Лучше звучат АС со сглаженными углами, обтекаемой формы, с несимметричным расположением ГГ, однако изготавливать корпуса таких АС сложно и дорого, поэтому подавляющее большинство АС выпускается в корпусах прямоугольной формы. Для уменьшения дифракционных эффектов на углах передней панели применяются специальные меры, в том числе размещение звукопоглощающих материалов («акустическое одеяло»), оптимизация соотношения размеров передней панели и глубины корпуса, подбор несимметричного расположения громкоговорителей и др.
Стремление сдвинуть дифракционные пики-провалы на АЧХ в более высокочастотную область и тем самым снизить их влияние заставляет использовать максимально узкие передние панели. Сложные внешние конфигурации многих современных АС обусловлены не только эстетическими соображениями, но и стремлением уменьшить дифракционные эффекты. Чтобы снизить излучение звука от стенок АС, обычно стараются увеличить их жесткость и массу.
В современных АС корпус представляет собой довольно сложную и дорогостоящую конструкцию (рис. 16). В качестве критерия эффективности принятых мер по звукоизоляции корпуса принято считать разницу между уровнем звукового давления, излучаемого стенками корпуса и уровнем звукового давления от акустической системы в целом, она должна составлять не менее 20 дБ.
Рис. 16. Разрез АС
Кроме объективных измерений, при проектировании проводится прослушивание АС в корпусах различной конструкции.
Фильтрующе-корректирующие цепи
Обеспечить качественное воспроизведение звука с помощью однополосной АС практически невозможно или сложно, поэтому они применяются только в бюджетных решениях, например, в дешевых колонках для компьютеров. Высококачественные АС за редкими исключениями являются многополосными. Для того, чтобы подать на каждую ГГ сигналы своего частотного поддиапазона, используют электрические разделительные фильтры («кроссоверы»).
В большинстве АС для домашнего применения используются т.н. пассивные фильтры, которые включают между усилителем и громкоговорителем (рис. 17).
Рис. 17. Пассивные фильтры («пассивные кроссоверы») в АС
Пассивные фильтры обычно размещаются внутри АС, увеличивая их массу и габариты. Пассивные фильтры в АС бывают первого, второго, третьего и четвертого порядка. Крутизна спада фильтров первого порядка – 6 дБ/октаву, второго – 12 дБ/октаву, третьего – 18 дБ/октаву и четвертого – 24 дБ/октаву.
Простейшие фильтры – это фильтры первого порядка, они занимают мало места и недороги, но имеют недостаточную крутизну спада полос пропускания. Положительная черта этих фильтров – отсутствие фазового сдвига между твиттером (ВЧ-головкой) и другим динамиком.
Фильтры второго порядка (или фильтры Баттерворта, по имени создателя математической модели этих фильтров) обладают более высокой чувствительностью, но дают фазовый сдвиг в 180 градусов, что означает несинхронный ход мембран ВЧ-головки и другого динамика. Для устранения этой проблемы необходимо поменять полярность подключения проводов на твиттере.
Фильтры третьего порядка имеют хорошие фазовые характеристики при любой полярности подключения. На рис. 18 показана АЧХ фильтра третьего порядка, а на рис. 19 – его электрическая схема.
Рис. 18. АЧХ фильтра третьего порядка
Рис. 19. Электрическая схема фильтра третьего порядка
Рис. 20. АЧХ трехполосного фильтра
В трехполосных АС АЧХ фильтра выглядит так, как показано на рис. 20.
Фильтры Баттерворта четвертого порядка имеют высокую крутизну спада полосы пропускания, что резко уменьшает взаимовлияние динамиков в области разделения частот. Сдвиг по фазе составляет 360 градусов, то есть на практике он отсутствует. Однако проблема состоит в том, что у таких фильтров величина фазового сдвига непостоянна, что может вызвать неустойчивую работу АС. Оптимизировать схему фильтра четвертого порядка применительно к АС удалось Линквицу и Рили. Их фильтр состоит из двух последовательно соединенных фильтров Баттерворта второго порядка для ВЧ ГГ и для НЧ ГГ. Такой фильтр не имеет фазовых сдвигов и позволяет проводить временную коррекцию для динамиков, не излучающих звук в одной плоскости. Эти фильтры обеспечивают самые лучшие акустические характеристики.
В «активных» АС со встроенными многополосными усилителями применяются активные фильтры, включенные до усилителя и также называемые кроссоверами (рис. 21).
Рис. 21. Использование кроссоверов
По сравнению с пассивными, активные фильтры имеют ряд преимуществ: меньшие габариты, лучшую перестраиваемость частот раздела, большую стабильность характеристик и т.д. Однако пассивные фильтры обеспечивают больший динамический диапазон, меньший уровень шумов и нелинейных искажений. К числу их недостатков можно отнести температурную нестабильность, что приводит к изменению формы АЧХ при повышении уровня подводимого сигнала (так называемая «компрессия мощности»), а также необходимость тщательного выбора высокоточных элементов (резисторов, конденсаторов и т.д.), к разбросу параметров которых характеристики фильтров могут быть очень чувствительны. В последние годы ряд зарубежных фирм начали применять в акустических системах цифровые фильтры, обеспечивающие в реальном времени функции фильтрации, коррекции и адаптации к реальным условиям прослушивания.
Кроме фильтров, в современных акустических системах достаточно часто используются электронные устройства для защиты громкоговорителей от тепловых и механических перегрузок. Защита как от длительных, так и от кратковременных (пиковых) перегрузок осуществляется с применением различных вариантов пороговых схем, пороги срабатывания которых должны быть меньше, чем тепловые постоянные головок громкоговорителей (Т = 10...20 мс). Кроме того, во многих бытовых системах используются различные варианты индикации перегрузок.
Основные характеристики АС
Характеристик АС существует довольно много, одни из них имеют большее значение для пользователя, другие меньшее, отечественные и зарубежные характеристики АС и методики их измерения не всегда совпадают. Мы кратко рассмотрим только основные характеристики АС.
Эффективный рабочий (эффективно воспроизводимый) диапазон частот – диапазон, в пределах которого уровень звукового давления, развиваемого АС, не ниже заданного, по отношению к уровню, усредненному в определенной полосе частот. В рекомендациях МЭК 581–7 минимальные требования к этому параметру составляют 50 – 12500 Гц при спаде 8 дБ по отношению к уровню, усредненному в полосе частот 100 – 8000 Гц.
Значение этой характеристики сильно влияет на естественность звучания акустики. Чем ближе рабочий диапазон АС к максимальному диапазону, воспринимаемому органами слуха человека (16 – 20000 Гц), тем лучше, естественнее звучит АС. Эффективный рабочий диапазон зависит от характеристик головок громкоговорителей, от акустического оформления АС и от параметров разделительного фильтра (кроссовера).
На низких частотах решающую роль играет объем корпуса АС. Чем он больше, тем более эффективно воспроизводятся низкие частоты, поэтому, в частности, сабвуферы всегда довольно громоздки. С воспроизведением высоких частот проблем обычно не возникает, поскольку современные твиттеры позволяют воспроизводить даже ультразвук. Нередко диапазон воспроизводимых частот АС превышает верхнюю границу слышимости человека. Считается, что в этом случае более точно передается тембр сложной фонограммы, например, симфонической музыки. Типичные значения: 100 – 18000 Гц для полочной акустики и 60 – 20000 Гц для напольной.
Серьезные производители АС обычно приводят график звукового давления, развиваемого АС в зависимости от частоты (график амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), по которому можно определить эффективный рабочий диапазон частот АС и неравномерность АЧХ.
Степень неравномерности АЧХ характеризуется отношением максимального значения звукового давления к минимальному, или по другой методике, отношением максимального (минимального) значения к среднему, в заданном диапазоне частот, выраженное в децибелах. В рекомендациях МЭК 581-7, определяющих минимальные требования к аппаратуре Hi-Fi, указывается, что неравномерность АЧХ не должна превышать ±4 дБ в диапазоне 100 – 8000 Гц.
Характеристика направленности позволяет оценить пространственное распределение излучаемых акустической системой звуковых колебаний, и оптимально расположить акустические системы в различных помещениях. Об этом параметре позволяет судить диаграмма направленности АС, представляющая собой зависимость уровня звукового давления от угла поворота АС относительно его рабочей оси в полярных координатах, измеренная на одной или нескольких фиксированных частотах. Иногда спад амплитудно частотной характеристики при повороте АС на некоторый фиксированный угол, отображается на основном графике, в виде дополнительных ответвлений АЧХ.
Характеристическая чувствительность – это отношение среднего звукового давления, развиваемого АС в заданном диапазоне частот (обычно 100 – 8000 Гц) на рабочей оси, приведенное к расстоянию 1 м и подводимой электрической мощности 1 Вт. В большинстве моделей АС категории Hi-Fi уровень характеристической чувствительности составляет 86-90 дБ (в технической литературе вместо дБ часто указывается дБ/м/Вт). Существуют высококачественные широкополосные АС с чувствительностью 93 – 95 дБ/м/Вт и более.
Характеристическая чувствительность определяет, какой динамический диапазон способна обеспечить АС. Широкий динамический диапазон позволяет с большой достоверностью воспроизводить сложные музыкальные произведения, особенно джазовую, симфоническую, камерную музыку.
Коэффициент нелинейных искажений характеризует появление в процессе преобразования отсутствовавших в исходном сигнале спектральных составляющих, искажающих его структуру, то есть, в конечном счете, точность воспроизведения. Это очень важный параметр, поскольку вклад АС в общий коэффициент нелинейных искажений всего звукового тракта, как правило, является максимальным. Например, коэффициент нелинейных искажений современного усилителя составляет сотые доли процента, в то время как типичное значение этого параметра для АС – единицы процентов. При увеличении мощности сигнала коэффициент нелинейных искажений возрастает.
Электрическая (акустическая) мощность – определяет уровень звукового давления и динамический диапазон (с учетом характеристической чувствительности), который потенциально может обеспечить АС в определенном помещении.
Используется несколько определяемых разными стандартами видов мощностей:
Характеристическая мощность , при которой АС обеспечивает заданный уровень среднего звукового давления. В рекомендациях МЭК значение этого уровня установлено 94 дБ на расстоянии 1 метр.
Максимальная (предельная) шумовая или паспортная мощность, при которой АС может длительное время работать без механических и тепловых повреждений при испытаниях специальным шумовым сигналом, близким по спектру реальным музыкальным программам (розовый шум). По методике измерений она совпадает с паспортной мощностью, определяемой в отечественных стандартах.
Максимальная (предельная) синусоидальная мощность – мощность непрерывного синусоидального сигнала в заданном диапазоне частот, при которой АС может длительно работать без механических и тепловых повреждений.
Максимальная (предельная) долговременная мощность, которую акустика выдерживает без механических и тепловых повреждений в течение одной минуты, при таком же испытательном сигнале, как и для паспортной мощности. Испытания повторяются 10 раз с интервалом в 1 минуту.
Максимальная (предельная) кратковременная мощность, которую выдерживает АС при испытании шумовым сигналом с таким же распределением, как и для паспортной мощности, в течение 1 секунды. Испытания повторяются 60 раз с интервалом в 1 минуту.
Пиковая (максимальная) музыкальная мощность – излюбленный параметр для характеристики АС непонятного происхождения. Методика измерения, определяемая немецким стандартом DIN 45500, следующая: на АС подается сигнал частотой ниже 250 Гц и длительностью менее 2 секунд. Акустика считается прошедшей испытания, если при этом нет заметных на слух искажений. Понятно, что «под заметными на слух искажениями» можно понимать что угодно. В результате на корпусах АС от никому не известных производителей появляются наклейки типа «P.M.P.O. … (или Musical Power…)…100!, …200! и даже… …1000 Wt!». Понятно, что о хоть сколько-нибудь качественном звуке, создаваемом такими АС, говорить не приходится.
При выборе АС для УНЧ желательно, чтобы реальная максимальная мощность АС превышала мощность усилителя приблизительно на 30 и более процентов. В этом случае вы будете застрахованы от выхода из строя акустики из-за подачи на нее сигнала недопустимо большого уровня. Конечно, хорошие АС имеют схемы защиты от перегрузки, но лучше не рисковать.
Какая мощность усилителя достаточна для качественного воспроизведения звука? Во многом это определяется параметрами помещения, характеристиками акустических систем, потребностями самого слушателя. При выборе усилителя для озвучивания небольшой жилой комнаты можно считать, что мощность усилителя должна быть не менее 20 Вт.
Наиболее распространенные значения электрического (входного) сопротивления (импеданса) : 4, 8 или 16 Ом. Этот параметр важен при выборе усилителя, с которым будет работать АС. Следует использовать АС с сопротивлением, соответствующим указанному в паспорте усилителя. Такое решение будет обеспечивать идеальное согласование характеристик акустики и усилителя, то есть наилучшее качество звука.
Измерения характеристик АС в условиях, отличающихся от условий специально оборудованных акустических лабораторий заводов-изготовителей – дело чрезвычайно сложное, дорогостоящее и, главное, дающее очень приблизительные результаты. Высококачественные звуковые анализаторы и измерительные микрофоны с предусилителями, удовлетворяющие всем международным требованиям проведения измерений, чрезвычайно дороги и далеко не всякая российская фирма может себе позволить их приобретение. Правда, современные методики измерения в большинстве случаев позволят обойтись без акустически заглушенной камеры.
Аудио кабели
Аудио кабели – это, на первый взгляд, наименее важный компонент аудио подсистемы инсталляции или домашнего кинотеатра, поэтому их часто приобретают, что называется «на сдачу». И совершают серьезную ошибку.
Понятно, что любой кабель влияет на проходящий по нему сигнал. Вопрос состоит в том, как именно кабель влияет на сигнал и насколько сильно это влияние.
Выбор аудио кабелей определяется параметрами качества аудио сигнала с одной стороны и конструктивно-финансовыми соображениями с другой. Действительно, при выполнении некоторых инсталляций приходится прокладывать сотни метров аудио кабелей. Можно подсчитать, во сколько обойдутся, например, серебряные микрофонные кабели общей массой 100 кг…
Проводниками в любом электрическом кабеле или проводе являются металлы. В аудио кабелях используют в основном медь и серебро. В 1984 году фирма Hitachi выпустила межблочный кабель SAX-102, который сразу обратил на себя внимание профессионалов. Он был изготовлен из так называемой бескислородной меди OFC (Oxygen Free Copper). Теперь такую медь применяют почти все специализированные «кабельные» фирмы. Чем хороша бескислородная медь? Металл проводника можно рассматривать как последовательное соединение гранул металла. Внутри каждой гранулы кристаллическая структура сохраняет идеальность, но границы раздела между гранулами нарушают кристаллическую решетку. Как правило, причинами появления границ раздела является пленки окислов, соединений кислорода с металлами. За счет того, что OFC отливается и вытягивается определенным образом, длина идеальных гранул увеличивается. Обычная медь высокой степени чистоты содержит около 5000 гранул на метр кабеля. Улучшение технологии OFC привело к появлению более качественной бескислородной высокопроводящей меди OFHC (Oxygen Free High Conductivity), количество гранул на метр в которой составило 1000. Существуют и другие разновидности технологии получения проводов из бескислородной меди.
Похожие технологии применяют и к серебряным проводникам. Результат – появление длинногранулированного серебра с высокой степенью очистки, например, FPS (функционально превосходное серебро) от AudioQuest или PSS (Perfect Surface Silver – серебро с идеальной поверхностью). Это очень дорогие провода. Серебро часто используется как плакирующее покрытие медного провода, причем чтобы исключить потенциальное влияние неоднородностей на передачу сигнала, поверхность полируется до зеркального блеска.
В качестве изоляторов аудио проводов и кабелей в бытовой технике используются в основном полиэтилен, полихлорвинил и фторопласт (известный как тефлон). Для внешних покрытий кабелей используют искусственные каучуки, силиконовые резины, полипропилены и пр. Чаще всего используют полиэтилен, лучшими диэлектрическими характеристиками обладает фторопласт, но он относительно дорог, что сдерживает его применение. Иногда в качестве изолятора используют вспененный полиэтилен или фторопласт.
Поскольку аудио кабели соединяют усилитель с колонками и работают с довольно большими токами, разработчики в первую очередь обращают внимание на активное сопротивление проводника: чем оно меньше, тем лучше. Во-первых, потому что омическое сопротивление кабеля соединяется последовательно с выходным сопротивлением УНЧ и входным сопротивлением АС, и относительно высокоомный соединительный провод может резко ухудшить качество работы УНЧ и АС, а, во-вторых, по закону Джоуля-Ленца термический разогрев провода пропорционален второй степени протекающего через него тока. Уменьшения омического сопротивления проводящих линий добиваются увеличением их сечения. Поэтому аудио кабели довольно толстые. Акустические провода являются относительно низкочастотными (рабочий диапазон укладывается в 4-5 порядков: от единиц герц до сотни килогерц). И все же большинство разработчиков, добившись минимальной величины удельного сопротивления (0,001–0,05 Ом/м), стараются уменьшать индуктивность провода (типичная величина удельной индуктивности – 0,2–0,5 мкГн/м). Практически все провода, за исключением плоских ленточных, выполняются в виде жгутов, собранных из отдельных тонких жил. Самые простые представляют собой пару изолированных проводников («лапша»); такая конструкция встречается чаще всего ввиду ее наименьшей стоимости. Скрученные жилы постоянно меняют свое положение: одни уходят с поверхности внутрь, другие, наоборот, от центра выходят к поверхности. Поскольку распределение плотности тока по сечению проводника не меняется, чтобы оставаться вблизи поверхности кабеля, ток переходит через поверхность раздела от одной жилы к другой. Бывает, что контакт между отдельными жилами не всегда хорош (на поверхности каждой жилы есть слой окислов, плохо проводящих ток), и многочисленные переходы через барьеры сопротивления теоретически могут оказать влияние на передаваемый сигнал. Если разделать старый сетевой провод в резиновой изоляции, обращает на себя внимание темная пленка окислов. Такой провод без зачистки не паяется, омметр показывает довольно большое сопротивление…
Для уменьшения влияния скин-эффекта каждую тонкую жилу порой снабжают собственной изоляцией, однако такие кабели нетехнологичны, поскольку трудно автоматизировать процесс разделки жил такого кабеля.
Акустические кабели характеризуются большим разнообразием конструкций, отличающихся не только внутренним строением, но и внешними признаками: круглые в сечении, плоские, как тонкие ленты, одиночные, сдвоенные, счетверенные и т.д. Несмотря на высокую стоимость, плоские провода очень популярны в инсталляциях домашнего кинотеатра, поскольку они легко прячутся под обои, ковры и т.п. Пользуются спросом попарно сдвоенные провода, которые удобны для подключения акустики по схемам Bi-Wiring и Bi-Amping.
Разновидностью АС являются АС домашних кинотеатров, к которым предъявляются специфические требования. О них будет рассказано в отдельной брошюре.
- (от греч. akustikos слуховой, слушающийся), область физики, исследующая упругие колебания и волны от самых низких частот (условно от 0 Гц) до предельно высоких частот (1011 1013 Гц), их вз ствия с в вом и разнообразные применения. А. одна из… … Физическая энциклопедия
Акустика - Акустика. Спектры звука различных музыкальных инструментов. АКУСТИКА (от греческого akustikos слуховой), в широком смысле раздел физики, исследующий упругие волны от самых низких частот до самых высоких (1012 1013 Гц); в узком смысле учение о… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
АКУСТИКА - (от греческого akustikos слуховой), в широком смысле раздел физики, исследующий упругие волны от самых низких частот до самых высоких (1012 1013 Гц); в узком смысле учение о звуке. Общая и теоретическая акустика занимаются изучением… … Современная энциклопедия
АКУСТИКА - (от греч. akustikos слуховой) в широком смысле раздел физики, исследующий упругие волны от самых низких частот до самых высоких (1012 1013 Гц); в узком смысле учение о звуке. Общая и теоретическая акустика занимаются изучением закономерностей… … Большой Энциклопедический словарь
АКУСТИКА - (от греч. akuein слышать). Часть физики, излагающая законы и свойства звуков. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. АКУСТИКА 1) учение о звуке (часть физики); 2) условие для слышания; напр., акустика залы … Словарь иностранных слов русского языка
АКУСТИКА - (от греч. akouo слушаю), учение о звуке, одна из древнейших и наиболее развитых отраслей физики. Акустика может быть разделена на 1) общую, 2) физиологическую, 3) атмосферную, 4) архитектурную, 5) музыкальную. Общая акустика изучает процессы… … Большая медицинская энциклопедия
акустика - соника Словарь русских синонимов. акустика сущ., кол во синонимов: 12 автоакустика (1) … Словарь синонимов
акустика - и ж. acoustique f., нем. Akustik <лат. acustica. <гр. 1700. Лексис. 1. физ. Наука. Свойства звука, учение о воспящении гласа, о трубах, чрез которые говорят и прочая предлагается в акустике. Уч. П. 2 54. Акустика или наука звонов,… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
АКУСТИКА - АКУСТИКА, наука о звуке, преимущественно о свойствах звуковых волн. Архитекторы учитывают требования акустики при проектировании общественных зданий, таких как концертные и лекционные залы, чтобы обеспечить более отчетливое звучание. Инженеры… … Научно-технический энциклопедический словарь
АКУСТИКА - АКУСТИКА, акустики, мн. нет, жен. (от греч. akustikos слуховой). 1. Отдел физики, изучающий звук. 2. Условия слышимости музыки или речи в помещениях. В этом зале нельзя устраивать концертов вследствие его плохой акустики. Толковый словарь Ушакова … Толковый словарь Ушакова
АКУСТИКА - АКУСТИКА, и, жен. 1. Раздел физики, изучающий звук. 2. Слышимость звуков музыки, речи в каком н. специальном помещении. Хорошая а. зала. | прил. акустический, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова
Книги
- Акустика , Ш. Я. Вахитов, Ю. А. Ковалгин, А. А. Фадеев, Ю. П. Щевьев. Рассмотрены основные характеристики звукового поля; первичные акустические сигналы; свойства слуха и восприятие акустических сигналов; акустика помещений, концертных залов, студий…
