corpuscul.net

Аппаратура, предназначенная для высококачественного звуко­воспроизведения, отличается от аппаратуры среднего класса тем, что особое внимание в ней уделяется большому числу мел­ких особенностей. Это и обусловливает дополнительную стои­мость аппаратуры Hi—Fi. Небольшие отклонения, являющиеся результатом изменения номинального значения одного или не­скольких параметров элементов или неквалифицированного об­служивания, будут нарушать оптимальную взаимосогласован­ность параметров изделия и так или иначе ухудшать качество звуковоспроизведения: Например, могут увеличиться искажения или ухудшится частотная характеристика.

Специалист по обслуживанию, не воспринимающий тонко­стей звучания Hi—Fi, может не заметить этих недостатков, но профессионал, безусловно, заметит разницу. Так что специалист по обслуживанию должен использовать точные измерительные приборы для того, чтобы установить соответствие стандарту до и после ремонта или настройки. Контрольное прослушивание отнимает много времени и часто приводит к ошибкам. Задача специалиста по обслуживанию — обеспечить соответствие пара­метров аппаратуры указанным в технической документации.

Опыт показал, что любители аппаратуры Hi—Fi делятся на три основные категории. Имеются любители музыки, основное желание которых — слушать любимые записи с наименьшими ощутимыми искажениями. Для этой категории требуется мини­мальная техническая точность аппаратуры, так как воспроизве­дение среднего качества вполне воссоздает в воображении слу­шающего обстановку концертного зала. Небольшие искажения и другие мелкие недостатки остаются незамеченными.

К другой категории относятся технические специалисты, внимание которых сконцентрировано на разных технических параметрах аппаратуры. Эта категория людей может не обла­дать высокоразвитым эстетическим вкусом к музыке, но они часто со сверхъестественной точностью могут определить, больше ли искажения, чем они должны быть, улучшит ли до­полнительное демпфирование акустических систем воспроизве­дение низких частот, имеется ли провал или подъем в общей частотной характеристике и другие технические вопросы. Такой человек получает удовлетворение от громкого воспроизведения при малом искажении, и когда он говорит, что искажения больше, чем должны быть, то специалисту стоит согласиться с ним, если он не может объективно доказать противное.

Третья категория объединяет в себе особенности двух пер­вых: к ней относится значительное большинство ценителей ап­паратуры Hi—Fi и музыки. Эту категорию представляют люди, пристрастные к технике и одновременно истинные ценители музыки.

Специалист по звуковоспроизводящей аппаратуре должен знать об этих трех категориях людей. Желательно, чтобы он сам интересовался музыкой и посещал концерты хотя бы для того, чтобы самому познакомиться с объектом звукозаписи.

Специалист, занятый в области высококачественного звуко­воспроизведения, должен быть инженером и в какой-то сте­пени психологом, а также знать субъективную сущность чело­века. Восприятие звука — это чисто субъективная функция. Из этого и будем исходить.

ЗВУК

Любой источник звука находится в состоянии колебания. Это ясно показывает струна пианино, камертон, диффузор громко­говорителя и т. д. Колебание может быть столь слабым или столь частым, что остается незамеченным, но может иметь большую амплитуду, быть относительно медленным, и тогда оно становится ясно различимым, как при очень сильном фоне сети, исходящем из громкоговорителя. В этом последнем слу­чае фон не удается устранить полностью, даже если звуковую катушку приклеить к магнитным полюсным наконечникам. Та­кое явление однажды пришлось наблюдать автору, когда де­тально исследовалась система, в которой отсутствовала выход­ная мощность. Владелец системы в принципе был прав, объяс­няя, что «ужасное гудение вызвано колебанием диффузора» (к сожалению, правдивая история).

В органе и духовых инструментах источником звука явля­ется колебание воздуха. Такое колебание часто можно ощутить, если положить палец на трубу, струну или диффузор громкого­ворителя. Удивительно, насколько точно палец ощущает нали­чие колебаний. Некоторые инженеры часто проверяют незначи­тельный фон сети (неслышимый) прикосновением к диффузору.

Источник звука вызывает поочередно сжатие и разрежение окружающего воздуха в полном соответствии с колебаниями. Таким образом, за импульсом высокого давления следует им­пульс низкого давления и так далее.

ПРОДОЛЬНЫЕ ВОЛНЫ

Звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, известны как продольные волны. Это значит, что молекулы воздуха пе­ремещаются вперед и назад по линии, параллельной направле­нию распространения волны, и что каждая молекула выполняет такое же движение, как и предыдущая, но с небольшим запаз­дыванием.

Электромагнитные волны — радиоволны, световые волны и т. д.— известны как поперечные волны, так как элементар­ные частицы перемещаются перпендикулярно направлению рас­пространения волны, а не параллельно.

СКОРОСТЬ ЗВУКА

Быстрота перемещения звуковых волн, называемая скоро­стью распространения, зависит от физических свойств среды. В газовой среде она выражается следующим соотношением:

где с — скорость; v — отношение теплоемкостей (величина по­стоянная; для атмосферного воздуха она равна примерно 1,4); р — давление (номинальное значение 10^е дин/см², соответствую­щее 1 бар или в единицах системы СИ—10⁶ Па); р — плот­ность (для воздуха близка к 1,2 кг/м³).

Скорость распространения звуковых волн через атмосферу на уровне моря при температуре 20° С близка к 344 м/с. Ско­рость распространения звуковых волн в газовой среде при по­стоянной температуре зависит от плотности и «сжимаемости» газа. Поскольку плотность прямо пропорциональна давлению, то скорость не зависит от давления в широком диапазоне его изменения.

Изменение же температуры вызывает изменение скорости. Скорость звука связана с частотой f и длиной волны Я звука соотношением

Таким образом, длину волны можно определить, разделив скорость на частоту. Например, длина волны звука частотой 50 Гц (частота сети) равна 6,88 м. При частоте 20 Гц длина волны будет составлять 17,2 м, в то время как при 5 кГц — 6,9 см. Таким образом, длина волны уменьшается с увеличе­нием частоты. Знание длины волны может быть полезно при исследовании стоячих волн в комнате прослушивания, а также для других областей техники звуковоспроизведения.

Любой газ, например воздух, состоит из большого числа молекул, находящихся в состоянии быстрого беспорядочного движения. Давление, действующее на предмет, находящийся в газовой среде, зависит от числа молекул на единицу объема и от кинетической энергии, т. е. от барометрического давления газа (воздуха) и его температуры.

ЗВУКОВОЕ ДАВЛЕНИЕ

Нормальное атмосферное давление составляет около 10⁶ дин/см², что соответствует 1 бар или в единицах системы СИ — 10⁵ Па. Звуковые волны вызывают колебания среды при дав­лении от 20 мкПа (микро обозначает 0,000001) до 60 Па, что обеспечивает диапазон от самых тихих звуков вблизи порога слышимости до звуков интенсивностью, близкой к болевому порогу.

Таким образом, звуковая волна характеризуется колебатель­ным отклонением давления воздуха (в зависимости от харак­тера звука) в ту или иную сторону от атмосферного давления и соответствующим изменением скорости движения молекул газа относительно мгновенного значения скорости газа. Мощ­ность, создаваемая звуковой волной, представляет собой произ­ведение скорости частицы звука, близкой к мгновенному значе­нию скорости, на акустическое давление, близкое к нормаль­ному атмосферному давлению.

МОЩНОСТЬ ЗВУКА

Среднюю мощность на единицу площади можно выразить как

где р — среднее квадратическое значение давления газа; и — среднее квадратическое значение скорости движения частицы.

Если эти величины рассматривать как электрические пара­метры, то р можно представить как аналог напряжения, а и — как аналог тока, при этом их произведение дает значение мощ­ности.

Полное сопротивление Z удельного излучения определяется уравнением

где с — скорость распространения звука; р —плотность газа. Таким образом, W_a также можно выразить как

или как

Величина Z часто дается равной 40,7 акустических ом в еди­ницах системы СГС (сантиметр — грамм — секунда) или 407 акустических ом в единицах системы СИ. Таким образом, ре­шив уравнение (1.6) с соответствующим значением Z, опреде­лим, что звуковое давление 20 мкбар (2 Па) дает значение W_a, равное 9,828 эрг/см² или 98280ХЮ~⁷ Дж/м², т. е. 98280 эрг/м². Округлив эти значения до 10 эрг/см² и 100 000 эрг/м² и учитывая, что 1 Вт=10⁷ эрг (1 Дж) в секунду, определим мощности на единицу площади: 1 мкВт/см² и 10 мВт/м².

СФЕРИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ

Когда фронт волны находится под прямым углом к направ­лению ее распространения, то такие волны называются пло­скими. Однако в большинстве практических случаев фронт волны распространяется неоднородно, так что в неограничен­ном свободном пространстве волны расходятся из центра в виде расширяющейся среды. Тогда мощность на единицу площади уменьшается обратно пропорционально квадрату рас­стояния, а давление — обратно пропорционально расстоянию.

Средняя мощность W_a на единицу площади, обусловленная сферической волной, определяется следующим уравнением:

в то время как среднее квадратическое значение давления р (когда расстояние больше длины волны) определяется урав­нением

где р — в обоих уравнениях плотность газа; с — скорость рас­пространения звука; и — среднее квадратическое значение ско­рости движения частиц; r — радиус фронта волны; d — рассто­яние от источника звука; λ — длина волны.

АМПЛИТУДА ЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ

Громкость звука определяется амплитудой волны и, следо­вательно, энергией, которая посредством волны достигает уха, поскольку звук воспринимается органом слуха.

Среднее квадратическое значение амплитуды плоской волны определяется уравнением

а сферической волны — уравнением

при расстоянии, большем длины волны, где а — амплитуда; u — среднее квадратическое значение скорости движения ча­стицы; f — частота; r — радиус фронта волны; d — расстояние; λ — длина волны.

ХАРАКТЕРИСТИКА ЗВУКА

Высота тона звука определяется частотой и, следовательно, длиной волны, в то время как качество звучания или тембр, характеризующий различие между нотами одной и той же вы­соты тона звучания различных инструментов, определяются гармоническим спектром звука. Он может рассматриваться как дополнительные колебания, частоты которых являются крат­ными по отношению к частоте основного колебания.

С уменьшением частоты нота в конце концов распадается на отдельные импульсы. С увеличением частоты она становится весьма резкой и на частоте примерно 15 кГц стремится перейти в свист большой высоты тона.

Высокочастотный предел слышимости — различный для лю­дей разного возраста. Для молодых людей он находится где-то около 20 кГц, для людей пожилого возраста падает до 6 кГц и ниже. Некоторые молодые люди испытывают неприятные ощущения при отклонении луча в электронно-лучевых трубках телевизоров, в то время как люди старшего возраста совсем не испытывают беспокойства. Писк мыши обычно не слышен людям пятидесятилетнего возраста, хотя хорошо слышен моло­дым людям.

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Хотя человек с возрастом становится менее восприимчив к высоким частотам спектра, он все же может различать гар­монические составляющие музыки выше частоты среза частот­ной характеристики. Для такого владельца звуковоспроизводя­щей аппаратуры важно, чтобы его аппаратура была чувстви­тельна к верхним частотам звукового спектра. Одна из причин этого состоит в том, что частично музыкальные волны имеют крутой, быстро нарастающий фронт, называемый переходным процессом. Сигналы могут быть разделены на большое число гармонических составляющих. Затухание высокочастотной ча­сти спектра вызывает уменьшение скорости нарастания фронта волны и амплитуды сигнала при переходном процессе. По­скольку при воспроизведении музыки обязательно существуют переходные процессы, их нарушение, вызывающее уменьшение ускорения и амплитуды, одинаково ощутимо для людей, вос­принимающих расширенный частотный диапазон и не воспри­нимающих его.

ДЕЦИБЕЛ

Давление и мощность звуковой волны часто выражаются в децибелах (дБ). Следует рассмотреть, что под этим подра­зумевается. Децибел обозначает отношение двух мощностей в логариф­мической зависимости (в системе десятичных логарифмов) и математически выражается как

где W/Wo — отношение двух рассматриваемых мощностей. По­скольку децибел выражается отношением, то одна из сравни­ваемых мощностей всегда должна быть известна или, по край­ней мере, должна условно предполагаться. Причем, поскольку мощность звука пропорциональна квадрату значения звукового давления, то значение давления в децибелах будет опреде­ляться выражением

где р/р_о — отношение двух давлений, причем ро должно быть известно или условно предполагаться.

По международному соглашению эталонное звуковое давле­ние равно 0,0002 дин/см² или 0,0002 мкбар и в единицах си­стемы Си —20 мкПа.

Таким образом, 0 дБ — эталонный уровень — соответствует 20 мкПа или 0,0002 мкбар. Такое звуковое давление находится на пороге слышимости.

Когда давление звуковой волны превышает 120 дБ, то слу­шающий испытывает неприятное ощущение и даже боль. 120 дБ соответствуют отношению давления 10⁶: 1, т. е. давление на этом уровне составляет 200 мкбар (20 Па). Таким образом, практически человеческое ухо может приспосабливаться к давлению от 0,0002 (20 мкПа) до 200 мкбар (20 Па) — от самых тихих звуков (порога слышимости) до самых громких (близ­ких к болевому порогу). В действительности верхний предел приближается к 130 дБ, что соответствует звуковому давле­нию более 600 мкбар (60 Па).

При этом звук настолько интенсивен, что может вызывать боль и даже повреждение органа слуха.

­

МОЩНОСТЬ ЗВУКА НА ЕДИНИЦУ ПЛОЩАДИ

Мощность передается звуковой волной, являющейся функцией звукового давления и скорости частиц. При 0 дБ (давление 0,0002 мкбар) мощность составляет 10~¹² Вт/м² по международному соглашению. Таким образом, при 100 дБ средняя мощность на 1 м² будет 10^-12 Вт (10 мВт). При 120 дБ мощность будет 1 Вт/м², а при 130 дБ — 10 Вт/м². Таким образом, в промежутке от порога слышимости (0 дБ) до 120 дБ диапазон мощности или энергии весьма со­лидный— 1—10¹². Это также отражено в таблице. Интервал давлений составляет 1—10⁶.

Все эти рассуждения могут вызвать вопрос, почему для зву­ковоспроизведения в домашних условиях используются усили­тели большой мощности. Необходимость в таких больших элек­трических мощностях будет объяснена ниже.

ГРОМКОСТЬ

Громкость — это воздействие, которое звуковая волна оказы­вает на слушателя, т. е. это субъективное слуховое восприятие слушателем силы звука. Громкость в основном зависит от зву­кового давления, воздействующего на барабанную перепонку уха, хотя учитываются и другие факторы, обусловленные слож­ными свойствами человеческого уха. Единицей уровня громко­сти является фон. Фон — уровень громкости звука, для кото­рого уровень звукового давления равногромкого с ним звука частотой 1 кГц равен 1 дБ. Уровень громкости рассматривае­мого звука в фонах численно равен уровню звукового давления эталонного звукового сигнала частотой 1 кГц, когда оба счи­таются одинаковыми по громкости.

Человеческое ухо неодинаково .чувствительно ко всем часто­там. Чувствительность приближается к максимальной на ча­стоте, близкой к 3 кГц, а наибольшая чувствительность из всего звукового диапазона — на частотах 500 Гц — 5 кГц. Кри­вые на рис. 1.1 показывают изменение чувствительности чело­веческого уха в диапазоне 20 Гц—15 кГц для чистого тона при разных уровнях звукового давления. При низких уровнях уменьшение чувствительности на низких частотах больше, чем при более высоких уровнях. Кривые также отражают умень­шение чувствительности на высоких частотах. Увеличение чув­ствительности на частотах, близких к 3 кГц, приписывается резонансу полости наружного уха.

Приведенные кривые основаны на результатах работ, вы­полненных в Национальной физической лаборатории Робинсо­ном и Дадсоном, и положены в основу британского стандарта 3383:1961. С возрастом человека чувствительность уха посте­пенно уменьшается, начиная с частоты 2 кГц. Кривые, показан­ные на рис. , относятся к группе людей, средний возраст которых 20 лет. Кривые, полученные Робинсоном и Дадсоном, отличаются от кривых, полученных ранее Флетчером и Ман-соном (1933 г.) и Чачером и Кингом (1937 г.). Из рисунка видно, что кривая минимальной слышимости соответствует при­мерно 4 дБ на частоте 1 кГц, она пересекает линию 0 дБ при­мерно на частоте 2 кГц. По данным Флетчера и Мансона, кри­вая, соответствующая 0 фон, находится на уровне 0 дБ на ча­стоте 1 кГц (см., например, «Справочник по аппаратуре Hi—Fi и магнитофонам», с. 45). Порогом слышимости по-прежнему часто считают звуковое давление 0 дБ.

Таким образом, понятие «громкость звука» связано с высо­той тона или частотой, так же как с амплитудой или интенсив­ностью (т. е. со звуковым давлением). Это подтверждает пра­вильность введения так называемой тон-коррекции, функция которой сводится к подъему низких частот, а иногда и высоких частот при уменьшении громкости. Однако редко такую регу­лировку можно точно сопоставить с кривыми равной громко­сти. Подъем низких частот, а возможно, и высоких связан с по­ложением регулятора, и точный подъем будет зависеть от уровня звукового сигнала, подводимого к усилителю. Кроме того, приводятся и такие доводы, что подобное «электронное выравнивание» несовместимо с естественностью звучания, а сле­довательно, с высокой степенью достоверности воспроизведе­ния. Безусловно, любую требуемую коррекцию можно обеспе­чить на низких и высоких частотах спектра с помощью регуляторов тембра. Большинство предпочитает пользоваться именно регуляторами тембра, а не регулятором громкости или переключателями фиксированных положений.

ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН

Основной характеристикой музыкальной программы явля­ется ее динамический диапазон, т. е. интервал между самыми тихими и самыми громкими звуками. Испытания показали, что большой оркестр может обеспечивать динамический диапазон примерно 70 дБ, что соответствует отношению уровней звуко­вого давления 3162: 1 или отношению энергий 10⁷: 1. Динами­ческий диапазон начиная от порога слышимости передается слушателям посредством звукового давления, которое на пи­ках достигает 0,63 мкбар. В условиях концертного зала, однако, окружающий шум значительно превышает 0 дБ, так что для восприятия слушателями полного динамического диапазона, вероятно, самые слабые звуки должны находиться выше уровня окружающего шума, чтобы устранить его влияние.

Если предположить, что максимальный уровень оркестровой музыки составляет 100 дБ на месте слушающего, а динамиче­ский диапазон 70 дБ, тогда самые слабые звуки будут на уровне 30 дБ (100—70 дБ).

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА В СВОБОДНОМ ПОЛЕ

В условиях свободного поля звук излучается источником во всех направлениях как распространяющаяся сфера (в данном случае исключаются лучевые эффекты, обусловленные направ­ленностью громкоговорителя, что справедливо для самых низ­ких частот). Именно это обстоятельство обусловливает зависи­мость, показывающую, что давление уменьшается обратно про­порционально расстоянию от источника звука. Иными словами, уровень звука уменьшается на 6 дБ всякий раз, когда расстоя­ние удваивается, или увеличивается на 6 дБ, когда расстояние уменьшается наполовину.

Таким образом, если измерения дают значение 96 дБ на расстоянии 1 м от источника звука, то уровень звука на рас­стоянии 2 м от источника будет 96 дБ — 6 дБ, т. е. 90 дБ. Дав­ление при 96 дБ составляет 12 мкбар, так что на расстоянии 2 м оно будет 6 мкбар (имеется в виду звуковое давление).

Несколько иначе обстоит дело с мощностью. На расстоянии 1 м от источника (где уровень звука 96 дБ) она будет 4 мВт/м², как уже говорилось. На расстоянии 2 м (уровень звука на 6 дБ ниже) мощность уменьшается не наполовину, как давле­ние, а в 4 раза, т. е. составляет 1 мВт/м². Именно это обуслов­ливает квадратичный закон обратного расстояния: мощность уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от источника звука.

МОЩНОСТЬ, ТРЕБУЕМАЯ В ПОМЕЩЕНИИ

Когда громкоговоритель работает в помещении, то прямое излучение дополняется звуком, отраженным от разных поверх­ностей помещения. Таким образом, при одинаковой мощности на входе слушатель обычно отмечает большую громкость в по­мещении, чем на открытом воздухе, при прослушивании одного и того же громкоговорителя.

Интенсивность звука при прямом излучении уменьшается в зависимости от расстояния и зависит от «концентрации лучей» громкоговорителя, но за пределами некоторого определенного расстояния от источника значительная часть звука, восприни­маемого слушающим, поступает из так называемого ревербера-ционного поля. Когда интенсивность отраженного звука равна интенсивности прямого звука, то к прямому излучению добав­ляются 3 дБ. Однако обычно зву­ковоспроизведение в домашних условиях слушают на отдален­ном расстоянии, значит, в реверберационном поле.

Таким образом, помещение имеет тенденцию усиливать звук, но это зависит от объема помещения, его отражающих харак­теристик и общего звукопоглощения. Большие предметы мяг­кой мебели и толстые ковры обладают хорошим звукопоглоще­нием, в то время как жесткие стены, потолок и пол являются хорошими отражателями звука. На открытом воздухе вдали от отражающих поверхностей и предметов происходит максималь­ное поглощение звука. В помещении даже с большим количест­вом мебели, очевидно, звукопоглощение меньше, поскольку в комнате всегда есть отражающие поверхности, если она спе­циально не рассчитана как заглушённая.

Различные части комнаты будут иметь разные коэффици­енты поглощения в зависимости от материала, из которого они изготовлены, а значение коэффициента, отнесенного к единице для 100%-ного поглощения, зависит в некоторой степени от ча­стоты звука. Вообще звукопоглощение более сильное на высо­ких частотах. Коэффициент 0,5, например, обозначает, что по­ловина звуковой энергии поглощена, а половина — отражена.

ВРЕМЯ РЕВЕРБЕРАЦИИ

При включении звуковоспроизводящей аппаратуры в поме­щении звук не сразу приобретает максимальную интенсивность, так же как при отключении он не затухает немедленно до 0. Это происходит из-за многочисленных отражений звука от раз­ных поверхностей. Время, которое проходит от момента прекра­щения излучения звука до момента,' когда звук достигает одной миллионной части его первоначальной энергии (т. е. когда он снизился примерно до 60 дБ), называется временем ревербе­рации.

При воспроизведении музыки время реверберации не дол­жно быть слишком большим, так как в этом случае «четкость» будет нарушена тем, что новый компонент звука начнется до того, как достаточно затихнут предшествующие. Опыт показы­вает, что удовлетворительным является время, незначительно превосходящее 0,4 с. Время реверберации концертного зала мо­жет быть несколько больше, но это не имеет значения с точки зрения звуковоспроизведения, так как эта информация содер­жится в сигнале. Безусловно, цель высококачественного звуко­воспроизведения состоит в том, чтобы воспроизвести без искажений полностью первоначальный сигнал, включая и ре­верберацию, которая не должна чрезмерно видоизменяться под влиянием комнаты прослушивания.

Время реверберации увеличивается с увеличением объема комнаты и уменьшается с увеличением звукопоглощения, т. е.

где Т — время реверберации, с; V — объем комнаты, м³; S — общее звукопоглощение, сэбин.

Ранее было показано, что S представляет собой произведе­ние площади поверхности на коэффициент звукопоглощения, так что, вычислив площади всех предметов в комнате и сложив их, можно получить общую площадь поверхности комнаты. На­пример, комната с общей площадью поверхности  111,45 м², включая стены, потолок, пол (возможно покрытый ковром), ме­бель и т. д., при коэффициенте звукопоглощения 0,2 (обозна­чающем, что 20% звука поглощается, а 80%—отражается) будет иметь общее звукопоглощение почти 240 сэбин (111,45/0,0929*0,2). Таким образом, с помощью этого выражения  можно установить, что комната объемом 56,63 м³ при та­ком значении общего звукопоглощения будет иметь время ре­верберации, близкое к 0,41 с.

Таким образом, время реверберации и объем комнаты при­сутствуют в выражениях, связанных с требуемой акустической мощностью помещений. Частота также входит в эти выражения, так что «усиление комнаты» изменяется в зависимости от ча­стоты. Действительно, на некоторых частотах «усиление» мо­жет составлять 0 дБ, на других — 0 или даже отрицательную величину. Из-за многих переменных величин требуемую мощ­ность можно получить лишь приближенно.

Ранее были получены упрощенные и аппроксимированные выражения, однако соответствие между ними иногда отсутст­вует. Два выражения, выведенные автором, могут найти прак­тическое применение. Для средних квадратических значений максимальных уровней 96 дБ мощность может быть приблизительно определена из выражения

где W_s — излучаемая акустическая мощность (средние квад-ратические значения максимальных уровней), Вт; V — объем комнаты, м³.

Для средних квадратических значений максимальных уров­ней 100 дБ формула приобретает вид

где обозначения те же, что и в предыдущей формуле. В обоих случаях время реверберации составляет 0,3—0,4 с. Поскольку значение коэффициента поглощения зависит в некоторой сте­пени от частоты звука, то, следовательно, и время ревербера­ции также зависит от частоты.

В случае использования стереофонической системы с двумя работающими каналами изменяется требование к мощности. Если оба канала пропускают один и тот же сигнал при одина­ковой мощности, то каждый канал может работать только при 5 Вт, чтобы обеспечить 100 мВт и, следовательно, интенсивность 96 дБ при средних квадратических значениях максимальных уровней. Однако поскольку информация и мощность в обоих каналах несколько различны, то требуется, чтобы мощность каждого канала была примерно на 50% больше половины об­щей требуемой мощности. Таким образом, потребуется усили­тель мощностью не менее 7,5 Вт на канал.

На практике не всегда правильно подходят к выбору пре­дела ограничения мощности усилителя и используют усилитель мощностью 10—15 Вт на канал. Однако если необходимо вос­произвести средние квадратические значения максимальных уровней 100 дБ в комнате с подобными акустическими пара­метрами, то усилитель должен иметь мощность в 2,5 раза больше и акустические системы соответственно должны вос­производить эту мощность.

Кроме того, акустические системы меньшей эффективности могут потребовать еще большего увеличения мощности усили­теля.

Таким образом, хотя акустические мощности очень малы, для их воспроизведения требуются усилители довольно боль­шой мощности.

Когда проводятся измерения средних квадратических зна­чений максимальных уровней с помощью измерителя звукового уровня, то следует принять во внимание особенность прибора недостаточно быстро указывать истинное значение. Испытания, проведенные автором, показали максимальный динамический диапазон при воспроизведении музыки на 10 дБ больше пока­занного измерителем уровня. При этом короткие пиковые мгно­венные значения сигнала с узкой полосой иногда были даже больше. Это значит, что если измеритель уровня показывает 80 дБ при усредненном значении максимального уровня, то на самом деле при воспроизведении имеются средние квадратиче­ские значения максимальных уровней сигнала 90 дБ, и воз­можно, больше.

Хотя основной средой для передачи звуковых волн является воздух, другие материалы также могут служить для этого. На­пример, при легком постукивании или царапании на одном конце длинного стола шум будет слышим, если приложить ухо к другому концу стола. Это доказывает, что звуковые волны прошли через материал, из которого изготовлен стол. Однако скорость распространения звуковых волн в различных средах отличается от скорости распространения их в воздухе. Значи­тельно большая скорость распространения звука в жидкостях. Для нормальной воды она составляет около 1420 м/с, а для дистиллированной — около 1485 м/с в зависимости от темпера­туры.

БИЕНИЯ И РЕЗОНАНС

Если догонять в автомобиле тяжелый грузовик, то часто можно слышать звук, напоминающий бой барабана или бие­ния, которые изменяются по частоте, когда прибавляют ско­рость для обгона. Когда с таким явлением встречаешься впер­вые, то можно ошибочно подумать, что что-то не в порядке с задней осью автомобиля. Вероятно, биения возникают от вза­имодействия звуков, издаваемых обеими машинами, причем частота биений равна разности частот обоих звуков.

Такие биения возникают также в электрических схемах вследствие нелинейности, а побочные тоны в усилителе, напри­мер, называются интермодуляционными искажениями. Эти искажения проявляются в скрипучести или «резкости» воспро­изведения.

Резонанс очень часто возникает в низкочастотной аппара­туре. Если низкочастотный генератор подключить ко входу уси­лителя, возбуждающего акустические системы, и медленно на­страивать его во всем спектре низких частот, то окажется, что на разных частотах различные предметы в комнате начнут сильно вибрировать в полном соответствии со звуком. Когда частота звука соответствует собственной частоте предмета, по­следний вибрирует. Это называется резонансом.

Частота резонанса механических предметов есть функция их массы и податливости (податливость — величина, обратная жесткости) и математически выражается как

где f₀ — частота резонанса; М — масса; С — податливость.

РЕЗОНАНСЫ ПОМЕЩЕНИЯ

Воздух, заключенный в помещении, ограниченном полом, стенами, потолком, резонирует, причем частота резонанса за­висит от размеров. В основном эффект состоит в том, что зву­ковые волны движутся назад и вперед много раз, прежде чем затухают до значения, не вызывающего воздействие на слуша­теля. На некоторых ча­стотах отражения звука совпадают по фазе. Это случается тогда, когда расстояние между отражающими поверхностями представляет собой число, кратное половине длины звуковой волны. Тогда получается резонанс стоячей волны, так что слу­шатель, передвигающийся в звуковом поле, будет ощущать узлы и пучности попеременно по линии падения волны. Таким образом, интенсивность звука изменяется с изменением давле­ния. Это наблюдается тогда, когда в помещении воспроизводится непрерывный сигнал.

Такие резонансы часто называются собственными тонами, причем главные из них возникают на тех частотах, на которых расстояние между границами помещения соответствует поло­вине длины волны. Потолок на высоте 2,44 м будет создавать главный собственный тон около 70 Гц относительно пола, но из-за сильного демпфирования благодаря штукатурке и коврам этот резонанс часто значительно ослабляется.

Твердые стены, незначительно поглощающие звуковую энер­гию, обычно оказывают большее влияние на резонанс. Твердые стены, разнесенные на 6 м, вызовут сильный собственный тон — около 30 Гц. Большая проблема возникает тогда, когда комната имеет форму куба относительно небольших размеров. Как уже упоминалось, кроме основных собственных тонов, на частотах гармоник существуют и другие, тогда число стоячих волн в по­мещении будет больше. В маленьких комнатах собственные тоны более низких частот расположены довольно близко друг к другу, что вызывает неестественное увеличение громкости при воспроизведении музыки в диапазоне средних и низких ча­стот. Размер помещения по диагонали также может- влиять на распределение собственных тонов. Оптимальные размеры ком­наты приводятся в различных литературных источниках. На­пример, при высоте, принятой за единицу, для маленькой ком­наты предполагаются оптимальными длина 1,6, ширина 1,25; для большой — длина 2,5, ширина 1,6.

В комнатах собственные тоны, нарушающие естественное воспроизведение, можно смягчить применением пустотелых кир­пичей, драпировок или обойного материала. Эти приспособления поглощают звуки повышенных частот, так что меньшее их чи­сло отражается и создает собственные тоны.

Звуковые волны также подвергаются дифракции, аналогич­ной радио- и оптической дифракции электромагнитных волн. Например, если звуковая волна приближается к препятствию, размером, близким к ее длине, то волна не будет полностью отражаться в обратном направлении, а вместо этого будет пов­торно излучаться во всех направлениях. Это вызовет взаимо­действие с начальной звуковой волной — дифракцию, обуслов­ленную изменением давления.

Источник: "руководство по звукотехнике", Кинг.