corpuscul.net

Вашему вниманию предоставляется список вопросов и ответов по теме "Оборудование студий звукозаписи". Вопросы основаны на лекциях Павлова и любезно предоставлены одним из его студентов (Renegade master).

1. Акустические колебания и звуковые сигналы. Физические сущности этих колебаний и основная направленность задачи, решаемой при их обработке. (1.2, 3)

Акустическое колебание - колебание атмосферного давлении Р(t).

Звук — это особый вид механических колебаний упругой среды, способный вызывать слуховые ощущения.

Звуковая волна – процесс переноса энергии механических колебаний в упругой среде.

Звуковым давлением называется разность между мгновенным значением давления в данной точке среды и атмосферным давлением.

Под обработкой аудио сигналов понимается изменения их свойств, направленные на улучшения субъективного восприятия этих сигналов, представляемых в виде акустических колебаний. Следует отметить, что в результате обработки характер изменения сигналов на выходе устройств обработки, как правило, не соответствует исходному. В связи с этим, звукотехническое оборудование не следует рассматривать как устройства высокой верностью воспроизведения. Следует так же отметить, что в силу не идеальности реальных свойств устройств обработки в сигнале могут возникнуть и нежелательные изменения. Эти изменения называются искажениями.

2. Сущность и этапы преобразования акустических колебаний в электрические (на примере работы микрофона динамического типа). (4)

Процесс преобразования акустических колебаний (колебаний атмосферного давлении Р(t)) в электрические сигналы (в колебания разности потенциалов u(t) между выходными зажимами 1-2 двухпроводной системы) проиллюстрируем с помощью рис. 1. Это рисунок схематично представляет работу микрофона динамического типа. В состав микрофона входит мембрана с закрепленной на ней катушкой, проводники которой пронизывает постоянное магнитное поле.

При отсутствии аудио сигнала (Р(t) = 0) мембрана с катушкой находятся в неподвижном состоянии, поэтому свободные носители заряда (электроны) никаких дополнительных воздействий сторонних сил не испытывают. В этих условиях электроны равномерно распределены на выводящих проводах и провода катушки, в результате чего потенциалы выводов 1-2 одинаковы и выходная разность потенциалов u(t) = 0.

В ходе колебаний давлений Р(t) происходит движение l(t) мембраны и связанной с ней катушкой, провода которой пронизывает постоянное магнитное поле. В результате движения провода катушки в магнитном поле свободные носители зарядов (электроны) (в соответствии с правилом левой руки) перераспределяются между выводящими проводами, вызывая появление разности потенциалов u(t) между выводами 1-2. Эта разность потенциалов обусловлена тем, что на одном из выводов возникает избыток отрицательных зарядов (электронов), а на другом – соответствующий недостаток. Следует отметить, что в процессе рассмотренного перераспределения зарядов их общее число остается неизменным, при этом количество перераспределенных зарядов в данный момент определяет мгновенное значение разности потенциалов u(t).

Разность потенциалов также как и направление движения мембраны l(t) имеет знакопеременный характер, при этом она соответствует характеру колебаний Р(t). Значение разности потенциалов u(t) в данный момент времени называется мгновенным значением сигнального напряжения. Эффективность преобразования звукового давления Р(t) в разность потенциалов u(t) характеризуется чувствительностью микрофона, значение которой выражают в В/Па.

Разность потенциалов u(t), возникающая в процессе движения катушки, способна во внешней замкнутой проводящей цепи создать уравновешивающее движение электронов в направлении от отрицательного по потенциалу зажима (зажима с избыточным количеством электронов), к положительному (напомним, что за условно положительное направление тока в электротехнике принято направление, противоположное направленному движению электронов). Эта разность потенциалов благодаря явлению индукции практически мгновенно (со скоростью света) может быть передана с помощью двух проводников к любому доступному участку звукового тракта, например, на вход усилителя разности потенциала (усилителя напряжения).

3. Принципы организации межблочных соединений по симметричный и несимметричной схемам. (5. 6, 7)

В зависимости от способа организации соединительных линий они подразделяются на симметричные и несимметричны.

При первом способе оба соединительных провода являются равноправными, т. е. их потенциалы (потенциалы зажимов 1-2 на рис. 3) в ходе перераспределения зарядов изменяется синхронно в разные стороны на одну и туже величину. Т. е. при симметричной организации соединений образование разности потенциалов u(t) достигается как за счет одновременного изменения потенциала как зажима 1 так и зажима 2.

При несимметричном способе один из зажимов двухпроводной линии подсоединяется к точке с неизменным потенциалом, условно называемой нулевой точкой или точкой заземления. Условно считается, что точка заземления непосредственно связана большой проводящей массой, насыщенной бесконечно большим количеством свободных зарядов. В результате большой насыщенности изъятие или добавление зарядов в ходе обмена зарядами этой массы с внешними цепями не приводит к изменению ее потенциала и участков проводящих цепей, подсоединенных к ней. Обычно в роли земли выступают проводящие участки корпусов устройств, входящих в состав звукотехнических трактов, при этом провод, соединяющий эти корпуса, обычно называют общим проводом или «землей». Этот провод также часто называют «нулевым». Второй провод несимметричной соединительной линии именуют сигнальным или «горячим» проводом. На рис. 2 соединение между блоками I и II выполнено по симметричной схеме, а между блоками II и III – по несимметричной, при этом в качестве «горячего» провода в последнем соединении выступает контактная группа 3, а в качестве нулевого – контактная групп 0.

Достоинством симметричного соединения является то, что оно обеспечивает пониженное влияние внешних паразитных электромагнитных полей, воздействующих на соединительные провода, которые с точки зрения этого воздействия могут рассматриваться как приемные антенны (это воздействие обычно называют наводкой). При симметричном межблочном соединении потенциал ни одного из проводов не зафиксирован, а сигнальные провода пролегают практически в одинаковых условиях. Вследствие этого изменения потенциалов u_п1(t) и u_п2(t) проводов из-за воздействия помех оказываются одинаковыми как по величине, так и по знаку. Таким образом провода в отношении воздействия помех оказываются эквипотенциальными, т. е. не образующими на выходе соединительной линии разности потенциалов u_п(t) = u_п1(t) – u_п2(t) » 0. Благодаря этому на выходе соединения происходит взаимная компенсация результатов воздействия помех на провода.

При несимметричном межблочном соединении только один провод соединительной линии выступает в роли сигнального, тогда как второй провод этой линии, будучи подсоединенным к точке заземления, неизменен по потенциалу. В результате взаимная компенсация помеховых воздействий на выходе соединительной линии не происходит и u_п(t)  оказывается отличным от нулевого значения. Вследствие чего несимметричное соединение не может обеспечить высокую помехозащищенность от воздействия внешних электромагнитных полей.

Для снижения уровня воздействия помех на сигнальный провод он помещают в гибкую металлическую оплетку, называемую экраном. Эта оплетка обычно играет роль нулевого провода. Такой же экран может применяться и при симметричном межблочном соединении, вследствие чего достигается дополнительная помехозащищенность межблочного соединения даже в условиях, когда значения помеховых напряжений u_п1(t) и u_п2(t) по тем или иным причинам не совпадают. Организованное таким образом симметричное соединение фактически оказывается трех проводным, при этом два провода соединения являются сигнальным, а третей – нулевым. Последний, обычно, подсоединяется к электрически проводящему корпусу приемной части тракта. Конструктивно коммутационная часть такого соединения выполняется в виде разъема типа XLR. Разъемные соединения XLR подразделяются на два типа: Male (мужской) и Female (женский). В разъемах первого типа контактные соединения выполнены в виде штырьков, а в разъемах второго – в виде гнезд.

При симметричном источнике сигнала, т. е. источнике, в котором сигнальная разность потенциалов выводится с помощью двух равнозначных проводов, важно обеспечить определенность фазы сигнального напряжения u(t). Такая определенность может играть существенную роль при объединении двух и более сигнальных напряжений в один общий сигнал в условиях, когда объединяемые сигналы содержат составляющие, идентичные по характеру изменения во времени. В связи с этим вывод разъемного соединения, соответствующий положительной условно фазе, маркируется символом «+», и именуется «горячим». Однако в схемах выполнения коммутационных соединений не всегда наблюдается единообразия. В связи с этим в состав входной секции микшерного пульта часто присутствует блок, называемый фазоинвертором. С помощью него фазу сигнальных изменений перед суммированием можно изменить на противоположную. Возможность нарушения фазовых соотношений следует учитывать при распайке проводов штекерных соединений, а также при объединении в единую акустическую систему акустических звуковоспроизводящих головок. Очевидно, что при параллельном соединении этих головок их зажим со знаком «+» должен идти к одному и тому же сигнальному проводу. При последовательном же соединении этих головок вывод «+» данной головки должен быть соединен с выводом «–» другой.

4. Осциллограмма u(t) и основные два основных этапа процесса формирования на основании осциллографических колебаний оценки текущих значений U(t). (8,9)

Параметры и характеристики, с помощью которых определяют (описывают и оценивают) свойства звукотехнического оборудования, формулируются с учетом особенностей нашего слухового восприятия. Под восприятием в акустике понимается процесс преобразования акустических колебаний в наши ощущения. При этом рассматриваются только те мгновенные p(t) отклонения атмосферного давления P(t) от его установившегося (стационарного) значения Р_ат, которые способные создать слуховые ощущения, где p(t) = P(t) - Р_ат. Эти отклонения p(t) называются звуковым давлением, а графическое представление колебательного процесса p(t) его осциллограммой.

Построение аппаратных средств, а также основные аспекты применения этих средств для изменения (регулировки) тех или иных свойств звуковых сигналов, должны осуществляться с учетом особенностей нашего слухового восприятия. К этим особенностям нашего восприятия в первую очередь следует отнести его инерционность.

Инерционный (усредняющий) характер нашего восприятия состоит в том, что величина оценки тех или иных свойств звукового процесса, например, ощущения громкости звучания того или иного фрагмента аудио программы, определяет не столько значение звукового процесса p(t_o) в данный момент t_o (в данное мгновение), а сколько характером изменения этого процесса на некотором временном интервале Т_н, называемом интервалом наблюдения или интервалом усреднения. Обычно интервал наблюдения Т_н предшествует данному моменту t_o.

Количественные оценки поведения звукового процесса, полученные с учетом указанной усредняющей особенностью нашего восприятия, будем называть текущими значениями P(t₀). Значение звукового давления или какого-либо другого параметра звукового сигнала в данный конкретный момент времени будем называть мгновенным значением p(t₀).

В ходе субъективного восприятия звукового процесса под интервалом усреднения следует понимать временной интервал, в пределах которого мгновенные сигнальные изменения p(t) и u(t) заметно влияют на характер субъективного восприятия в данный момент времени t₀. Следует отметить, что точная аппаратурная реализация (имитация) субъективного процесса усреднения практически невозможна. Поэтому при формировании текущих оценок свойств процесса процедура усреднения в аппаратных средствах контроля и измерения реализуется приближенно.

Использование при обработках сигнала усредненных значений обусловлено также тем, что подавляющее число аудио сигналов имеют случайный характер. Свойства таких сигналов непрерывно меняются, в связи с этим их можно рассматривать приближенно, на основании формирования статистически устойчивых значений тех или иных признаков. При этом благодаря усреднению результаты измерений имеют устойчивый, читаемый и конкретный характер. Это позволяет успешно осуществлять слежение за текущими сигнальными изменениями, вводя в сигнальный процесс те или иные изменения, направленные на повышения качества его субъективного восприятия.

5. Сущность и разновидности процесса выпрямления, применяемого в процессе формирования текущего значения U(t). (10, 11. 12)

6. Сущность и психофизиологическая обусловленность процедуры усреднения, применяемой в ходе формирования текущих значений. Две наиболее часто применяемые разновидности процесса выполнения этой процедуры. (13)

С точки зрения оценки текущей громкости звукового процесса (его интенсивности) не важно в какую сторону изменяется период давления (в положительную или отрицательную), а важно как велик период давления (уход от нуля), т.е. важен модуль сигнальных изменений.

В связи с этими особенностями измерители интенсивности включают два этапа преобразования исходного сигнала (U(t)  - осциллограмма).

Разновидности выпрямления:

1.Двухпроводное выпрямление (преобразование по модулю). U_AV – средневыпрямленное значение.

2.U_RMS (Root Mean Square) - возведение в квадрат мгновенных значений или «среднеквадратичная, средневзвешенная мощность»

3.U_PPS (квазепиковое выпрямление) – подчёркивает значимость резких сигнальных выбросов (пиков).

Пик-фактор определяется как разность между квазимаксимальным и средним уровнями сигнала (усредненного за промежуток времени не менее 1 мин для музыки и не менее 15 с для речи): П = L_max - L_ср = U_max/U_RMS или U_av.

Уровень выше (не ниже) которого относительное время пребывания сигнала составляет 2% времени для музыки и 1 % для речи, называется квазимаксимальным. Соответственно уровень сигнала называется квазиминимальным, если относительное время существования сигналов ниже (не выше) него составляет 98% и 99%.

Особенности усреднения (сравнение результатов)

U_AV – оценка интенсивности по звуковому давлению P(t). Здесь рассматривается U(t), которое совпадает с характером P(t).

U_RMS – оценка по мощности звукового процесса. Здесь рассматривается U²(t) (Ватт), т.е. мгновенное значение сигнальной мощности. Мощность пропорциональна квадрату напряжения. Это реальная мощность, коэффициент гармонических нелинейных искажений, при которой минимален и не превышает указываемого значения. RMS характеризует среднюю мощность, при постоянной номинальной нагрузке.

U_PPS – обеспечивает контроль даже за самыми короткими выбросами (перегрузкой)

7. Основное соотношение, определяющее степень субъективной заметности физических изменений во внешней среде (соотношение Вебера). (14)

С точки зрения понимания применяемых процедур обработки аудио сигналами с помощью звукотехнического оборудования является важным рассмотрение взаимосвязи между величинами физических воздействий с уровнями нашего субъективного ощущения. Благодаря такому рассмотрению достигается понимание применяемых алгоритмов обработки аудио сигналов, характера взаимосвязи между показаниями приборов и уровнем и характером воздействия этих сигналов на наши ощущения, принципы построения шкал в аппаратных средствах технического контроля.

К одной из особенностей нашего слухового восприятие относится то, что значимость (субъективная заметность) того или иного изменения, происходящего в структуре или интенсивности звукового поля, в первую очередь определяется тем, насколько значение относительного изменения N физических параметров отличается по модулю от единицы, то есть величиной k=|N- 1|. k – относительный контраст. k_min – дифференциальный порог ощущения.

Так, например, заметность (величина ощущения) изменения звукового давления от P₁ до Р₂, определяет значение

k = |P₂/P₁ – 1|=|P2-P1/P1|=|∆P/P₁|,

то есть считается, что степень заметности какого-либо изменения в окружающей среде определяет значение параметра k. Последнее соотношение применимо в отношении изменений, направленных как на увеличение (Р₂> P₁,N> 1), так и уменьшение (Р₂> Р₁, N < 1) физических воздействий. При этом  о величине ощущения судят по модулю значения параметра k.

Соотношение (закон) Вебера

Чтобы вызвать заметное ощущение происходящего во внешней среде изменения, необходимо уменьшить или увеличить интенсивность раздражителя на значение, составляющее некоторую постоянную часть k от величины раздражителя. k = ∆P/P, где k – коэффициент пропорциональности.

Соотношение Вебера в первую очередь применимо в случаях, когда рассматриваются относительно небольшие изменения (когда значения относительных изменений N близки к единице, то есть значение к существенно меньше единицы).

Относительно-контрастный характер наших ощущений учитывают при представлении результатов тех или иных физических измерений. Достигается этот учет за счет широкого использования нормированных значений тех или иных физических параметров, в качестве которых выступают не сами физические значения, а их относительные (в разах) отличия N от некоторого их типового значения. Это значение обычно называют номинальным значением. Часто это отличие выражают не в разах, а в децибелах, считая что:

N_дБ = 20lgN; L = klgP = 20lgP(t₀)/P₀ [дБ]; L = 20lgU(t₀)/U₀ [дБ_U], где P₀= 2*10^-5 Па; U₀ = 0,775(1,0) В; - номинальные значения

8. Логарифмический принцип описания взаимосвязи уровней субъективных ощущений с значениями физических воздействий (соотношение Фехнера). (15,16)

9. Сущность понятия «номинальное значение» и его применение при оценках текущих уровней в dB и dBV. (17, 18)

Закон Фехнера

Уровень ощущения (L) пропорционален логарифму от величины физического раздражителя (Р).

Математическое представление соотношения Фехнера применительно к оценке эффективности процесса преобразования величин звукового давления P в наши ощущения имеет вид: L = αlgP, (2.1)

где α — постоянный множитель.

В технике десятичный логарифм от значения параметра, характеризующего уровень физического воздействия, называется логом этого воздействия. Таким образом, в соотношение Фехнера можно констатировать, что величина субъективного ощущения уровня воздействия внешней среды пропорциональна значению лога от параметра, характеризующего состояние внешней (физической) среды.

Преимуществом соотношения Фехнера по отношению к соотношению Вебера является то, что оно распространяет возможность количественного описания процесса преобразования в наши ощущения L внешних воздействий на область большого диапазона относительных изменений этих физических воздействий, то есть на случаи, когда значения относительных изменений N заметно отличаются от единичных.

Благодаря применению логов можно отобразить связь наших ощущений L со значениями внешнего раздражителя с помощью линейной шкалы. На этой шкале одинаковым линейным удаленностям различных по значениям логов будут соответствовать одинаковые заметности физических изменений.

Так, например, величина ощущение ∆L изменения звукового давления от значения Р₁ до Р₂ может быть определено как разность значений L₂ u L₁, то есть как

∆L_1,2 = L_2-L₁ = αlgP₂ – αlgP₁ = αlgP₂/ P₁= αlgN_1,2, где N_1,2 = P₂/ P₁ - относительное отличие крайних значений давления.

В случае малых значений k(k <<1), то есть когда N близко к единице, lgN = lg(l + k) ≈ k, в результате чего заметность изменений, происходящих во внешней среде, может быть охарактеризована с помощью соотношения Вебера, а именно: ∆L = L₂-L₁= αk= α(∆P/Р).

Недостатком шкалы субъективных ощущений L (2.1), представленной в в логах, является то, что при одном и той же величине физического воздействия Р количественная мера ощущения L от этого воздействия зависит от того, в каких единицах представлено давление (от размерности физического параметра Р). Так, например, при переходе от Паскалей к барам (один бар равен 10⁵ паскалей) все значения давления, представленные в логах, изменяются на пять единиц.

Этого недостатка удается избежать, если в соотношении Фехнера физические воздействия представлять не в абсолютных (в Паскалях, вольтах и т. д.), а в относительных (нормированных) значениях N_o. В этом случае соотношение Фехнера можно представить в виде: L = αlgN₀, (2.2)

где N_o - относительное отличие физического воздействия от некоторого фиксированного значения, называемого номинальным значением, и выраженного в тех же единицах (в паскалях, вольтах и т.д.). что и само физическое воздействие. Значение N_o является безразмерными (относительным), вследствие чего оценка L не зависит от того, в каких единицах представлена величина внешнего воздействия., Значение L, вычисленное в соответствии с последней формулой, называется текущим уровнем физического воздействия.

Обычно в соотношении (2.2) принимают значение множителя а, равное двадцати, то есть соотношение Фехнера записывают в виде: L = 20lgN₀

Значения физических воздействий, представленных в этом виде, называются децибелами. В соответствии таким принципом степень возможного субъективного воздействия, представленного в виде текущего ощущения L(t). звукового давления значением P(t) в децибелах, имеет вид: L(t) = 20lg[P(t)/P_o] [дБ], (2.3)

где Р(t) - текущее значение звукового давления в паскалях; Р_о — номинальное значение звукового давления, равное пороговому значению 2 10^-5 Па. Выполненная в соответствии с (2.3) оценка называется текущим уровнем сигнала, при этом обозначение уровня сигнала символом «L» соответствует английскому слово Level (уровень).

В звукотехнических трактах аудио сигналы выступают в электрической форме, в виде мгновенных или текущих значений, выраженных в вольтах. Поэтому при оценках уровня сигнала в децибелах номинальное значение U_o также выражают в вольтах. При этом переход от текущих значений сигнала U(t) в вольтах к соответствует им текущим значением уровней L(t) сигнала в децибелах осуществляют в соответствии с формулой: L(t) = 20 lg [U(t)/U_o] (2.4)

Следует подчеркнуть, что текущие значения выражаются, соответственно, в паскалях и вольтах, а значения уровней - в децибелах. Нулевому уровню (L = 0 дБ) соответствуют текущие значения P(t) и U(t), равные номинальным значением Р_о и U_o.

За номинальное значение аудио сигнала в звукотехнических трактах принято значение U_о = 0,775 В. При этом считается, что превышение этого значения даже относительно кратковременными сигнальными выбросами является нежелательным. Вследствие чего, область значений, превышающих номинальное значение, на шкалах устройств регистрации текущих уровней выделена красным цветом.

При разности потенциалов 0,775 В двухпроводной линию передачи сигналов с типовым входным сопротивлением 600 Ом выделяется сигнальная мощность 1 мВт (10^-3 Вт). Поэтому уровнь сигнала, определенный с использованием значения U_o = 0775 В, часто называют уровнем относительно одного мВт при этом иногда используют обозначение дБм (в англоязычной литературе - dBm).

В ряде случаев за номинальное значение принимается напряжение U_o, равное одному вольту. Номинальный уровень, определенный при напряжении Uo = 1 В, обозначают dBu или дБu. Таким образом, уровень сигнала в децибелах определяют в соответствии с формулами:

L(t)_дБ = 20 lg [U(t) / 0,775]        [дБ, дБм или dB, dBm], (2.5)

L(t)_дБu = 20 lg [U(t) /1] [дБu или dBu]; (2.6)

L(t)_дБu ≈ L(t) ≈ L(t)_дБ - 2,21, (2.7)

где U(t) - текущее значение сигнала, выраженное в вольтах. Из соотношения (2.5)...(2.7) следует, что одному и тому же текущему значению U(t) сигнального напряжения измеритель уровня L(t)дБu дает на 2,21 дБ меньшие показания, чем измеритель L(t)_дБ.

10. Особенности построения шкал, представленных в децибелах, в измерителях звукового давления и измерителях уровней сигнального напряжения (19,20,21)

На рис. 2.1 приведены шкалы, применяемые в устройствах контроля текущих уровней L сигнала в звукотехнических трактах и в устройствах контроля за интенсивностью акустических колебаний. В ряде случаев в измерителях уровня на шкалах приводятся и соответствующие значения сигнальных напряжений и звуковых давлений как это сделано на рис. 2.1.

Нулевой отметке шкалы (L = 0)  соответствует сигнальное напряжение U_o = 1 В, а  давление Р_о = 2*10_­^-5 Па, равное порогу слышимости. Положительные отметки шкал (L> 0) отвечают значениям, большим номинальных U_o или Р_о, а отрицательные (L < 0) -значениям меньшим эти номинальных значений. Отметим, что нулевое значение физического параметра на логарифмической шкале не может быть отображено, так как логарифм нуля имеет бесконечно большое отрицательное значение, которое иногда обозначают как «inf».

Контрастный характер нашего восприятия проявляется не только при сравнении громкостей звучания, но и в ходе ряда других процессов восприятия, например, при оценке ощущения звуковысотных изменений тонального сигнала. При этом возможность выявления человеком изменения высоты тона от значения f₁ до f₂ субъективным путем (через наши ощущения) в первую очередь определяется величиной относительного контраста к = ∆f /f_cp, где

∆f =lf₂- f₁l; f_cp = (f₂- f₁)/2.

Благодаря логарифмическому характеру зависимости между значениями L и N логарифмическую шкалу можно рассматривать как линейную шкалу взаимозависимости наших субъективных ощущений с физическими воздействиям и их изменениям. При этом можно считать, что одинаковым удаленностям точек на логарифмической оси соответствует одинаковые уровни ощущения на изменения соответствующих воздействий.

Отметим, что значения относительных отличий следует указывать с использованием предлога «в» (например, ... «отличаются в два раза», «в десять раз»). При рассмотрении же отличий, соответствующих логарифмической шкале, следует использовать с предлог «на» (например,... «отличаются на октаву», «отличаются на декаду»», «отличаются на +10 дБ» и т. д.).

11. Сущность понятия «коэффициент усиления». Представление значений коэффициентов передачи в относительных единицах и децибелах. (22, 23, 24, 15)

12. Представление передаточных свойств многозвенного тракта и многоэтапного преобразования в относительных единицах и децибелах. (25)

В процессе прохождения синусоидального сигнала через то или иное устройство обработки происходит изменение, как амплитуды, так и фазы этого сигнала. Обычно в первую очередь интересуются изменением амплитуды сигнала. Эти изменения характеризуют числом, называемым коэффициентом передачи. Коэффициент передачи является основным показателем, с помощью которого определяют, как изменится амплитуда сигнального напряжения на данной частоте после его прохождения через рассматриваемый участок звукотехнического тракта. Значения коэффициента передачи больше единицы часто называют коэффициентом усиления.

Логарифмический принцип оценки обычно используется при рассмотрении передаточных свойств аппаратных средств. Так изменения амплитуды тонального сигнала, обусловленные его прохождением через усилительный тракт или устройство обработки, в звукотехнике принято характеризовать не столько относительным изменением А этой амплитуды, сколько значением, выраженным в децибелах А_дБ, где А_дБ = 20 lgА =20 lg(U_Out / U_In) , (3)

где U_Out, U_In – амплитуда сигнала на выходе и входе усилительного тракта или устройства обработки, например, – на выходе и входе микшерного пульта; А = U_Out / U_In – коэффициент передачи, выраженный в относительных единицах (в разах). Соотношению (3) эквивалентно следующее соотношение: А_дБ = L(t) _Out – L(t)_In, т. е. коэффициент передачи, выраженный в дБ, есть число, показывающее, на сколько дБ изменится уровень тонального сигнала в результате прохождения сигнала через рассматриваемый участок трасы. Тракты, имеющие значения А_дБ, больше нуля (с А > 1), обычно называют усилительными, а само значение А_дБ – коэффициентом усиления.

Переход от значений коэффициента передачи, выраженных в децибелах, к относительным отличиям (отличиям в разах) определяет соотношение: А = 10^{АдБ /20}.

В линейном широкополосном тракте коэффициент передачи не зависит от уровня сигнала и скорости сигнальных изменений. В таком тракте характер сигнальных изменений на выходе u_вых(t) повторяет характер сигнальных изменений на входе u_вх(t), при этом u_вых(t) = u_вх(t) А, где значение А выступает в качестве масштабного коэффициента преобразования входных сигнальных изменений в выходные. Следует иметь в виду, что только для линейной цепи понятие «коэффициент передачи» имеет однозначное толкование.

Обычно аналоговые тракты включают в себя ряд последовательно включенных звеньев (рис. 5). Коэффициент передачи такого тракта на данной частоте может быть вычислен в соответствии с формулами:

А_S=А₁^. А₂^. … А_N; ^. А_дБ = А_дБ + А_2дБ + …+  А_NдБ, где N – число звеньев в последовательном соединении.

13. Сущность понятия «амплитудно-частотная характеристика» и особенности ее графического представления. (26,27,28)

Коэффициент передачи А того или иного участка звукотехнического тракта обычно зависит от частоты f. Эту зависимость А(f) называют амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Вследствие указанной зависимости амплитудный спектр выходного сигнала становится отличным от амплитудного спектра входного.

Измерения АЧХ осуществляют с помощью синусоидального электрического сигнала, при этом определяют на различных частотах f относительные изменения А(f) = Uтвых / Uтвх амплитуды этого сигнала, возникающие при его прохождении через рассматриваемый тракт.

Измерения проводятся при малых уровнях сигнала, т. е. в условиях, когда не проявляются нелинейные эффекты преобразования входных сигнальных изменений в выходные.

Звенья аналоговых трактов в зависимости от вида АЧХ и назначения можно подразделить на две группы. В первой из них, называемых широкополосными, стремятся обеспечить равномерный ход АЧХ (постоянство коэффициента передачи) во всей рабочей частотной области.

Амплитудно-частотные характеристики широкополосных трактов обычно представляют в виде графика функции А(f) с учетом логарифмически-контрастного характера преобразования частотных изменений и звуковых давлений в наши ощущения. Эти особенности оказываются учтенными благодаря использованию при построении графика АЧХ двойного логарифмического масштаба. Характеристика соответствует случаю, когда коэффициент усиления А(f) для основной частотной области равен ста (А(f)дБ = +40дБ). Этот коэффициент усиления, отвечающий основной среднечастотной (СЧ) области называется номинальным и обозначается А₀. Амплитудно-частотную характеристику, представленную в логарифмическом масштабе, называют логарифмической амплитудно-частотной характеристикой (ЛАЧХ или ЛАХ).

Уровень возможных частотных искажений удобно анализировать с помощью нормированной амплитудно-частотной характеристики М(f)дБ (НАЧХ), определяющей зависимость от частоты отклонений коэффициента усиления А(f)дБ  от его номинального значения А₀дБ, т. е. с помощью функции: М(f)дБ = А(f)дБ  – А₀дБ,

Области СЧ, где коэффициент усиления в малой степени зависит от частоты и практически во всем диапазоне равен номинальному значению А(f)дБ = А₀дБ, в результате чего в этой области частот М(f)дБ ≈ 0 дБ. Обычно ход графика НАЧХ рассматривают в области относительно небольших изменений коэффициента усиления, когда эти изменения (отклонения от номинального значения) не превышают 6 дБ.

Все реально существующие тракты обладают существенным снижением (спадом) усилительных свойств как в области низких (НЧ), так и в области верхних частот (ВЧ). Поэтому условно АЧХ широкополосных устройств разделяют на три частотных области – область средних частот (СЧ), область низких частот и область верхних частот.

Протяженность и положение области СЧ характеризуют с помощью граничных частот f_н и f_в – частот, на которых коэффициент усиления снижается до определенного заранее оговоренного уровня, например, уменьшается на 1 дБ (уменьшается в 10  1,07 раза). В этом случае частоты f_н и f_в называют граничными частотами полосы пропускания тракта, определенными по уровню –1 дБ. Часто в качестве уровня отсчета принимают значение, равное 1/√2≈ 0,707 (по уровню –3 дБ) и обозначают как f_{н 0,7}, f_{в 0,7} соответственно.Частот граничные частоты, соответствующие уровню –3 дБ, называют частотами среза f_ср.

В описании частотных свойств тракта обычно оговаривают уровень неравномерности хода АЧХ в целом, т.е. учитывают не только допустимый уровень снижения коэффициента усиления, но и наличие возможных локальных подъемов (увеличения) значений А(f)) в полосе частот от f_н до f_в. Так в отношении АЧХ рис.7 можно отметить, что неравномерность хода АЧХ в области частот от 30 Гц до 34 кГц не превышает 1,6 дБ».

Тракты с характеристиками рис.6 и 7 обладают снижением (спадом) усилительных свойств как в области нижних (НЧ), так и в области верхних частот (ВЧ). Поэтому условно АЧХ широкополосных устройств такого вида рассматривают в трех частотных областях – в области средних частот (СЧ), области нижних частот (НЧ) и области верхних частот (ВЧ). С точки зрения типов АЧХ особую разновидность составляют так называемые усилители постоянного тока (УПТ), в которых искажения в НЧ области отсутствуют.

К широкополосным трактам относят такие тракты, в отношении которых выполняется условие

14. Сущность спектральных изменений, создаваемых с помощью фильтрующих устройств. АЧХ типовых фильтров и их основные свойства. (30,31)

Особую группу составляют так называемые фильтрующие цепи и устройства. Их задачей является создание определенных желательных изменений в спектре аудио сигнала. В них специально создается неравномерный ход АЧХ, с подчеркиванием (подъемом) или ослаблением (режекцией) в спектре аналогового сигнала тех или иных спектральных областей. В аудио технике к устройствам и цепям этой группы относятся различного рода регуляторы тембра, аппаратные средства типа эквалайзер и кроссовер и др.

Условно типовые фильтрующие цепи разделяют на фильтр нижних частот (ФНЧ), фильтр верхних частот (ФВЧ), полосно-пропускающий фильтр (ППФ) и режекторный фильтр (РФ). На рис. 8 приведены идеальные АЧХ этих фильтров. В таких идеальных фильтрах граница между полосой пропускания (полосой прозрачности) и полосой ослабления (полосой задержания) имеет четко выраженный характер. Реализовать фильтры с идеальными АЧХ на практике невозможно.

16. Явление перегрузки и принцип оценки предельного значения выходного сигнала с помощью коэффициента гармоник. (37,38,39,40)

17. Процесс интермодуляции и его отличие от процесса интерференции. Принцип оценки интермодуляциооных искажений с помощью двухчастотного сигнала. (41)

В качестве основной характеристики нелинейных свойств аналогового тракта может выступить его сквозная передаточная характеристика СПХ, под которой понимается зависимость выходного напряжения или тока от интенсивности напряжения или тока на входе.

Нелинейные искажения – это изменения формы колебания, обусловленные нелинейным ходом СПХ. Степень проявления этих искажений в первую очередь зависит от уровня сигнала, при этом они тем больше, чем больше этот уровень. Главным отличием нелинейных искажений от линейных (частотно-переходных) является то, что их возникновение сопровождается появлением в спектре выходного сигнала новых дополнительных составляющих. Новые составляющие, в зависимости от значения частот, на которых они возникают, подразделяются на гармоники и суммарно-разностные или интермодуляционные составляющие. Первые из них (гармоники) располагаются на частотах, в целое число раз больших, чем частоты составляющих в спектре входного сигнала, а вторые – на суммарно-разностных частотах по отношению к последним. Уровень вновь возникших составляющих в первую очередь определяется уровнем выходной сигнальной мощности.

Количественно оценку уровня нелинейных искажений при данном уровне выходной сигнальной мощности осуществляют с помощью параметра, называемого коэффициентом гармоник К_г. Измерение К_г осуществляют при синусоидальном входном сигнале, контролируя уровень выходной мощности или значение выходного сигнального напряжения. Вследствие нелинейного хода СПХ форма выходного сигнала становится отличной от синусоидальной, в результате чего в его составе появляются новые составляющие на частотах, кратных частоте входного синусоидального сигнала. Новые составляющие называются гармониками. Интенсивность каждой гармоники определяется ее действующим значением U_n, где n – номер гармоники. Значение коэффициента гармоник определяется как отношение суммарной мощность Р_{S n>1} высших гармоник на выходе АЭУ к мощности основной Р_n=1 сигнальной составляющей, а именно

Выходная мощность, при которой коэффициент гармоник равен заданному допустимому значению К_{г ном}, называется номинальной выходной мощностью Р_{вых ном}. Значение этой мощности для данного аналогового тракта зависит не только от уровня сигнала, но и от допустимого уровня нелинейных искажений, задаваемых величиной К_г ном. Усилитель мощности с характеристикой рис. 14 при номинальном значении К_{г ном} = 2 % способен обеспечить предельное значение выходной мощности Р_{вых ном} » 6,2 Вт

С помощью К_г можно оценить количественно искажение простейшего по спектру сигнала. Здесь под простейшим понимается синусоидальный сигнал, т. е. сигнал, спектр которого содержит только одну спектральную составляющую. При прохождении через АЭУ сложных сигналов, т. е. сигналов, спектр которых содержит несколько спектральных составляющих, в выходном сигнале появляются не только гармоники исходных спектральных составляющих, но и комбинационные составляющие на частотах f_к. Так, например, в случае воздействия на вход АЭУ сигнала, состоящего всего из двух синусоидальных колебаний с частотами f₁ и f₂, в спектре на выходе появляются новые составляющие на частотах, значения которых определяется соотношением f_к =  ± nf₁ ± m f₂, где n и m – целые числа. Новые составляющие, возникающие на частотах, соответствующих последнему соотношению, называются интермодуляционными или комбинационными.

Появление новых суммарно-разностных составляющих на частотах, некратных частотам f₁ и f₂ особенно нежелательно в системах звукоусиления, поэтому оценку предельно допустимого уровня выходной сигнальной мощности в этих системах часто осуществляют с помощь коэффициента интермодуляционных искажений К_и. В ходе измерения этого коэффициента на вход испытуемого АЭУ подают два синусоидальных сигнала с различающимися частотами f₁ и f₂ > f₁ при этом считают, что

где  – суммарная мощность, создаваемая на выходе вновь возникшими интермодуляционными составляющими;  – выходная мощность полезного сигнала (суммарная мощность, создаваемая составляющими на частотах f₁ и f₂).

Часто, в целях упрощения процедуры измерения, оценку уровня интермодуляционных искажений проводят путем измерения уровня одной из характерных их составляющих, например, уровня составляющей на частоте f_2,1 = f₂ – f₁.

Интерференцией называется сложение волн от двух или нескольких когерентных источников, при котором образуется

устойчивое пространственное распределение амплитуды и фазы результирующей волны. Под когерентностью понимается согласованное по времени протекание колебательных процессов, которое приводит к созданию звуковых волн, одинаковых по направлению, по частоте и имеющих постоянный сдвиг фаз во времени.

При интерференции двух когерентных гармонических волн в разных точках пространства образуется устойчивая интерференционная картина, состоящая из чередующихся максимумов и минимумов. Если волны имеют одинаковые амплитуды, то в тех точках, где две пришедшие волны имеют амплитуды в одинаковой фазе, будет сложение колебаний и точки среды будут колебаться с максимальной суммарной амплитудой (такая интерференция называется «конструктивной»). В тех точках, где встречаются две волны с противоположно направленными смещениями (разность фаз равна π/2), образуется нуль суммарной амплитуды (такая интерференция называется «деструктивной»).

Если волны не когерентны и разность фаз между ними быстро и беспорядочно меняется, то в этом случае  интерференционная картина, т. е. расположение максимумов и минимумов, размывается, среднее значение амплитуды результирующей волны выравнивается в разных точках пространства, при этом происходит сложение потоков энергии (интенсивностей) составляющих волн (а не их амплитуд).

18. Сущность понятий «динамический диапазон устройства». (42,43)

На выходе аналоговых электронных трактов присутствуют переменные напряжения даже в условиях отсутствия каких-либо входных сигналов. Основными источниками дополнительных паразитных напряжений являются собственные электрические шумовые напряжения; паразитные напряжения, возникшие из-за недостаточной фильтрация сетевого напряжения в ходе формирования из него постоянных питающих напряжений; внешние помехи и т. д. Уровень этих искажений определяют действующим значением напряжения σ. Измерение уровня напряжения σ часто выполняют с учетом особенностей восприятия информационных сигналов, например, с учетом неодинаковой чувствительности слухового восприятия к колебаниям различных частот. При этом на вход измерителя напряжения σ включают так называемый взвешивающий фильтр.

Заметность паразитных сигналов наиболее существенна в условиях, когда полезный сигнал имеет малый уровень. Таким образом, качество воспроизведения сигнала малого уровня может оказаться ниже допустимого. Наименьший уровень сигнального напряжения Uвых min, при котором качество его воспроизведения оказывается приемлемым, определяется заранее оговариваемым значением отношения сигнал-шум q. При этом Uвых min = qσ. Считается, что в условиях, когда уровень выходного сигнального напряжения Uвых < Uвых min, качество его воспроизведения оказывается неудовлетвори-тельным.

Диапазон возможных сигнальных изменений, в пределах которых качество воспроизведения сигнала считается приемлемым, называется динамическим диапазоном аналогового электронного тракта D = Uвых max / Uвых min,

где Uвых max – верхняя граница сигнальных изменений, в пределах которой коэффициент гармоник кг не превосходит предельно допустимого значения к г ном. Обычно значение динамического диапазона выражают в дБ, а именно: DдБ = 20lgD.

19. Эквалайзер графического типа и его основные свойства. (45,46,47,48)

20. Эквалайзер параметрического типа и его отличие от эквалайзера графического типа. (47,49)

21. Устройства типа кроссовер и основные аспекты их применения. (50,51)

Эквалайзеры представляют собой устройства, объединяющие в себе несколько фильтров, предназначенные для изменения спектральных свойств (тембра) обрабатываемого сигнала. Первоначально эквалайзер (equalizer, EQ), в основном, выполнял функции устройства, компенсирующего неравномерность того или иного участка тракта усиления и преобразования звукового сигнала. При наличии эквалайзера можно как бы выровнять исходно неровную АЧХ. Отсюда возникло и название "эквалайзер" — "выравниватель". Известны несколько различных по назначению и по устройству типов эквалайзеров, среди них:

• графический эквалайзер;
• параметрический эквалайзер;
• кроссовер.

Графический эквалайзер — это набор полосовых фильтров с фиксированными центральными частотами и переменным коэффициентом усиления, которым можно управлять при помощи слайдера. В качестве регуляторов принято использовать именно ползунки, т. к. положение их ручек представляет собой некое подобие графика АЧХ эквалайзера. Именно поэтому такие эквалайзеры принято называть "графическими" — пользователь как бы рисует ползунками необходимую ему кривую АЧХ.

Полосовые фильтры полностью отделяют друг от друга определенные полосы частот. Для того чтобы иметь возможность управлять частотной характеристикой во всей области звуковых частот, такие фильтры соединены параллельно. На вход всех фильтров подается один и тот же сигнал, и задача каждого фильтра состоит в том, чтобы усилить или ослабить "свой" участок спектра в соответствии с положением регулятора коэффициента усиления (слайдера).

Частоты, на которых осуществляется регулирование в графических эквалайзерах, унифицированы и выбираются из ряда стандартных частот, перекрывающих весь звуковой диапазон, и отстоящих друг от друга на некоторый интервал. Этот интервал может составлять октаву, ее половину, или треть октавы. Число полос регулирования может составлять более 30 в серьезных профессиональных моделях.

Самый низкочастотный фильтр эквалайзера не обязательно должен быть полосовым, он может быть и фильтром нижних частот. Аналогично самый высокочастотный фильтр может быть фильтром верхних частот.

Наиболее часто графические эквалайзеры применяются для обработки суммарного сигнала, "доводки" общей картины, а не отдельных составляющих, как другие виды эквалайзеров. С помощью графического эквалайзера можно приближенно сформировать необходимую АЧХ системы обработки звука или акустической системы: поднять усиление в одних областях спектра и уменьшить его в других. Однако графический эквалайзер (даже многополосный) мало пригоден для ювелирной частотной коррекции. Ведь центральные частоты фильтров неизменны. Они могут и не совпадать в точности с теми частотами, на которых следует подчеркнуть или, напротив, подавить спектральные составляющие. В подобных случаях на помощь приходит параметрический эквалайзер.

Параметрический эквалайзер позволяет управлять не только коэффициентом усиления фильтра, но и его центральной частотой, а также добротностью (по существу, шириной полосы пропускания). При наличии некоторого опыта можно точно устанавливать значения этих параметров таким образом, чтобы подчеркнуть звук отдельного инструмента или удалить нежелательную помеху (например, фон 50 Гц или частоту самовозбуждения акустической системы) с минимальным влиянием на остальные элементы звукового образа.

Для формирования АЧХ сложного вида применяются многополосные параметрические эквалайзеры, параметры каждого из которых можно изменять независимо.

Кроссовер — это устройство, которое разделяет входной сигнал на несколько выходных, причем каждый выходной сигнал содержит колебания только определенного диапазона частот. Кроссовер представляет собой набор полосовых и пороговых фильтров (по количеству выходных каналов) с общим входом и отдельными выходами.

Хотя кроссоверы и не являются эквалайзерами в непосредственном значении этого слова, их работа основана на тех же принципах.

Для нормальной работы громкоговорителя необходимо, чтобы на него подавались сигналы только в том диапазоне частот, на который он рассчитан. В целях разделения широкополосного сигнала на несколько полос с различными частотами и применяются кроссоверы.