Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

(ТУСУР)

Кафедра телевидения и управления

(ТУ)

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой ТУ, профессор

_________________

«______»___________________2012 г.

аудиотехника.

Часть 1

Учебное пособие

РАЗРАБОТАЛ

_________

«______»_________2012 г.

2012

Худяков . Часть 1: Учебное пособие. – Томск: кафедра ТУ, ТУСУР, 2012. – 130 с.

Пособие содержит систематизированные известные знания в области аудиотехники. Предназначено для студентов, обучающихся с использованием дистанционных образовательных технологий, а также заочного факультета.

© , 2012

© Кафедра Телевидения и управления, ТУСУР, 2012

Содержание

ВВЕДЕНИЕ.. 5

1 АУДИОСИГНАЛЫ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ВОСПРИЯТИЕ.. 7

1.1 Основные термины и определения. 7

1.2 Уровни аудиосигналов. 8

1.3 Восприятие звуковых сигналов. 11

1.3.1 Психологические основы восприятия. 11

1.3.2 Частотные характеристики восприятия. 12

1.3.3 Амплитудные характеристики восприятия. 13

1.3.4 Временные характеристики восприятия. 16

1.4 Субъективные характеристики звуковых сигналов. 17

1.5 Эффект маскировки. 19

1.6 Стереофонический эффект. 20

2 ЗВУКОВЫЕ СИСТЕМЫ... 25

2.1 Основные показатели звуковых систем, определяющие качество их звучания. 25

2.2 Стереофонические звуковые системы.. 30

2.2.1 Локализация кажущегося источника звука в стереосистемах 30

2.2.2 Формирование стереофонического аудиосигнала. 34

2.2.3 Основные виды стереофонических звуковых систем.. 40

2.2.4 Сравнение качества звучания различных стереосистем 48

2.2.5 Адаптивные звуковые системы и звуковые процессоры.. 51

3 УЗЛЫ ЗВУКОВЫХ ТРАКТОВ.. 56

3.1 Системы звукоусиления. 56

3.1.1 Качественные характеристики систем звукоусиления 56

3.1.2 Предварительные усилители-корректоры.. 69

3.1.3 Буферные каскады усилителей. 71

3.1.4 Микрофонные усилители. 71

3.1.5 Нормирующие усилители. 73

3.1.6 Усилители мощности. 74

3.2 Регуляторы параметров аудиосигналов. 82

3.2.1 Звукорежиссерские пульты.. 82

3.2.2 Пространственные регуляторы.. 83

3.2.3 Регуляторы громкости и стереобаланса. 89

3.2.4 Фильтры «присутствия». 95

3.2.5 Регуляторы тембра. 96

3.2.6 Эквалайзеры.. 99

3.3 Системы шумоподавления. 105

3.3.1 Назначение и классификация систем шумоподавления. 105

3.3.2 Системы частотных предыскажений. 107

3.3.3 Системы шумоподавления с однократным воздействием на аудиосигнал. 108

3.3.4 Системы шумоподавления компандерного типа. 114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.. 129

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Первым человеком, который высказал идею звукозаписи и звуковоспроизведения, был француз Шарль Кро, в 1877 году изложивший сущность явления воспроизведения звуков и указавший на метод воспроизведения с помощью валика, запись на котором производится по спирали. В 1878 году Томас Эдисон получил патент на изобретение механического фонографа, а в 1898 году датчанин Вальдемар Паульсен придумал переводить звуковые колебания в электрический ток и намагничивать стальную проволоку. С этого момента началось развитие записи и обработки звуковых сигналов с использованием электричества, и сегодня, спустя немногим более ста лет, человек сталкивается с различными аудиосистемами ежедневно.

Современная звукотехника является одной из областей массовой технологической деятельности, при которой средствами электроники осуществляется обработка, накопление и распространение в электрической форме сигналов звукового диапазона частот. Она направлена на удовлетворение потребностей человека в знаниях, культуре, образовании. Благодаря повсеместному распространению звукотехнических устройств в сочетании со средствами массовой аудиовизуальной информации и коммуникации формируется та содержательная часть окружающей человека искусственной акустической среды, которая оказывает, как правило, позитивное рациональное и эмоциональное воздействие на людей. Мировой выпуск разнообразных изделий аудиотехники достигает сотен миллионов единиц в год. Причем массовое применение, одинаковое назначение и общие принципы функционирования звукотехнических устройств означают, что научно-технические, учебно-методические и справочные сведения о звукотехнике с одинаковым успехом могут быть как созданы, так и использованы в любой стране мира.

Современные звуковые устройства представляют собой сложный комплекс, состоящий из ряда автономных систем (акустические системы, источники звуковых сигналов, усилительные устройства, блоки управления и коммутации и т. п.), которые непрерывно совершенствуются и стремительно развиваются. Этот процесс связан как с появлением новых, более совершенных, электронных элементов, так и с разработкой принципиально новых схемотехнических решений, обеспечивающих наилучшие характеристики звуковоспроизводящего тракта. По этой причине в предлагаемом курсе не дается конкретных схемных решений и специализированных рекомендаций по проектированию звуковых систем и узлов аудиоаппаратуры. Основной акцент сделан на изучение тех физических принципов, которые лежат в основе функционирования звуковых систем. Понимание этих принципов должно сформировать у студентов знания и умения, достаточные как для настройки, ремонта и эксплуатации широкого спектра существующей аудиоаппаратуры, так и для самостоятельного проектирования новых узлов и устройств звуковой техники на структурно-функциональном уровне.

1 АУДИОСИГНАЛЫ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ВОСПРИЯТИЕ

1.1 Основные термины и определения

Акустика — область науки, изучающая возникновение, распространение и взаимодействие акустических волн в пространстве и веществе.

Акустические волны — механические возмущения малой интенсивности, распространяющиеся в упругой среде. Акустические волны с частотами менее 20 Гц называются инфразвуком, с частотами более 20 кГц — ультразвуком. Акустические волны, лежащие в частотном диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, способны вызывать слуховые ощущения, воздействуя на слуховые органы человека, и называются слышимыми звуками или звуковыми волнами.

Психоакустика — область науки, граничащая между физикой и психологией, изучает данные о слуховом ощущении человека при действии на органы слуха физического раздражителя (звуковых волн).

Электроакустика — область науки, изучающая технические средства преобразования энергии звуковых колебаний в энергию электрического сигнала и обратного преобразования электрического сигнала в максимально похожие звуковые колебания.

Аудиосигнал — электрический сигнал, повторяющий по форме соответствующие ему акустические колебания.

Аудиотехника (звукотехника) — область науки и техники, изучающая строение звуковых систем (рис. 1.1), форматы сигналов звуковых систем, а также методы и устройства формирования, преобразования, хранения и обработки аудиосигналов.

Рисунок 1.1 — Обобщенная структурная схема звуковой системы

1.2 Уровни аудиосигналов

В связи с большими диапазонами изменения аудиосигналов в аудиотехнике удобнее оперировать не непосредственными значениями, а уровнями [1]. За уровень параметра принимают величину, пропорциональную логарифму относительного значения этого параметра. Уровни принято измерять в децибелах ([дБ] или [dB]). Значение уровня энергетических параметров:

[дБ]. (1.1)

Уровень линейных параметров определяется выражением

[дБ]. (1.2)

Если нормировано, то уровень является абсолютным, иначе — относительным. В последнем случае указывается, относительно какой величины рассчитан уровень. Значение соответствует опорному (эталонному) значению уровня. Относительный уровень связан с абсолютным равенством

, (1.3)

где — абсолютный уровень для заданной величины ;

— абсолютный уровень для заданной величины .

Электрические уровни

За условное (нормированное) значение электрического уровня принята величина мощности 10–3 Вт, выделяемая в нагрузке 600 Ом. При этом величина напряжения составляет

(В) = 775 (мВ). (1.4)

Абсолютный уровень электрической мощности:

. (1.5)

Соответственно абсолютный уровень по напряжению:

. (1.6)

Уровни аудиосигнала по мощности и по напряжению совпадают, если измерение производится на нагрузке сопротивлением 600 Ом. Если сопротивление нагрузки отличается от 600 Ом, то уровень по мощности отличается от уровня по напряжению на величину, определяемую выражением

. (1.7)

Акустические уровни

За нормированное значение нулевого уровня интенсивности звука принята интенсивность Вт/м2. Абсолютный уровень интенсивности:

. (1.8)

Уровень по звуковому давлению определяют относительно величины звукового давления, равного Па, которое соответствует нулевому значению уровня интенсивности для нормальных условий в воздухе:

. (1.9)

Суммарный уровень интенсивности двух независимых друг от друга физических процессов можно определить следующими двумя способами:

1. Алгебраическим. Для этого значения суммируемых уровней переводятся в относительные величины для энергетических параметров по формуле

. (1.10)

Затем найденные значения алгебраически суммируются и переводятся обратно в уровни сигналов по формуле (1.1).

2. Графическим, воспользовавшись графиком на рисунке 1.2. Для этого найденную разницу между уровнями двух сигналов откладывают по оси абсцисс, и по графику находят значение приращения (DN), которое необходимо добавить к большему из уровней (N1). Полученная величина является суммарным уровнем интенсивности двух сигналов.

Рисунок 1.2 — Зависимость приращения от разницы

уровней сигналов

Например, найдем суммарное значение двух уровней 60 дБ и 65 дБ.

Способ 1:

.

Суммарный уровень: дБ.

Способ 2: дБ, откуда по графику дБ. Суммарный уровень: дБ.

1.3 Восприятие звуковых сигналов

1.3.1 Психологические основы восприятия

Особенности построения и функционирования аудиоаппаратуры базируются на данных, полученных психоакустикой. Чтобы понять, почему звуковая аппаратура построена именно так, а не иначе, необходимо уяснить психологические основы восприятия звука.

Восприятием звука называется обусловленный внешними воздействиями на органы слуха познавательный процесс, в котором предметы и явления отражаются в сознании в виде образов. Те физические воздействия, которые могут быть восприняты органами чувств субъекта и породить ощущения, называются стимулами или раздражителями. Таким образом, восприятие звука происходит последовательно по цепочке, показанной на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 — Последовательность восприятия звука

Если выводы, сделанные наблюдением, подтверждаются опытом, то можно говорить об адекватности образа и объекта. Если образ адекватен стимулу, но неадекватен объекту — источнику стимула, то такое восприятие называется иллюзией восприятия. Иллюзия не объясняется обманом чувств, так как органы чувств работают правильно (образ адекватен стимулу). В основе иллюзии восприятия лежат установки, закрепившиеся на основании прошлого опыта. Например, при воспроизведении магнитофонной записи игры музыканта на рояле в сознании создается соответствующий образ — рояль, и он адекватен стимулу (звукам этого музыкального инструмента), но неадекватен объекту, так как источником звука является диффузор громкоговорителя. Наиболее желательная иллюзия в аудиотехнике — иллюзия натурального источника звука. Принципы работы всех стереофонических систем и устройств создания специальных звуковых эффектов также основаны на иллюзии.

Другой вид неадекватного восприятия, когда образ неадекватен стимулу, но адекватен объекту, называется константностью восприятия. Человек правильно оценивает громкость, независимо от расстояния до источника звука, хотя давление звука, действующее на ухо, уменьшается с расстоянием. Константность восприятия объясняется подсознательной готовностью субъекта к определенной совокупности реакций на раздражитель, то есть в большинстве случаев человек догадывается об истинной звуковой мощности источника звука, основываясь на опыте и интуиции, и сознательно вносит соответствующие поправки в звуковой образ.

1.3.2 Частотные характеристики восприятия

Человек ощущает изменения звукового давления, происходящие с частотой 20…20000 Гц. Звуки с частотой ниже 40 Гц редко встречаются в музыке и не существуют в разговорной речи [1]. Воспринимаются такие низкие звуки в основном по субъективным гармоникам, появляющимся из-за нелинейности слуха, и совместно с более высокими тонами благодаря эффекту Доплера. На очень высоких частотах четкое музыкальное восприятие исчезает и возникает некое неопределенное звуковое ощущение, зависящее от индивидуальности слушателя, его возраста. В силу физиологических причин с возрастом чувствительность слуха у человека уменьшается и, прежде всего, в области верхних частот звукового диапазона. В таблице 1.1 показана статистическая зависимость (в процентах) воспринимаемых звуковых частот от возраста слушателя.

Таблица 1.1

Однако было бы неправильно делать на этом основании вывод, что для пожилых людей не важна передача звуковоспроизводящей установкой широкой полосы частот. Эксперименты показали, что люди, даже едва воспринимающие сигналы выше 12 кГц, очень легко распознают в музыкальной передаче недостаточность верхних частот.

В частотном диапазоне слышимых звуков человек запоминает только несколько сотен градаций частоты, причем число этих градаций резко уменьшается с уменьшением интенсивности звука и в среднем составляет не больше 100...150. Соседние градации в среднем отличаются друг от друга на 4% (самые лучшие музыканты не могут заметить разницы в звучании фильмов, снятых для кино со скоростью 24 кадра в секунду при демонстрации их по телевидению со скоростью 25 кадров в секунду, и наоборот). Однако человек может косвенным образом различить изменение частоты до 0,3% на средних частотах, например, при условии сопоставления двух тонов, непосредственно следующих друг за другом или по биениям частот двух тонов.

1.3.3 Амплитудные характеристики восприятия

Область слышимых человеком звуков в диапазоне 20…20000 Гц ограничивается по интенсивности порогами: снизу — порогом слышимости и сверху — порогом болевых ощущений.

Порог слышимости — это минимальный уровень сигнала, определяющий границу перехода из слышимого состояния в неслышимое и обратно [1]. Абсолютное значение звукового давления на пороге слышимости мало, но все же имеет конечное значение и зависит от частоты. На частотах 2,5…3,5 кГц порог слышимости самый низкий (звуковое давление около 2×10–5 Па, что соответствует интенсивности 10–12 Вт/м2). В сторону низших и высших звуковых частот чувствительность слуха падает (рис. 1.4), соответственно величина порога возрастает.

Рисунок 1.4 — Частотная зависимость порогов восприятия звука

В международном стандарте ISO/R-226 приняты за стандартные значения порогов слышимости (табл. 1.2) для слушателей в возрасте 18…30 лет.

Таблица 1.2

При плавном увеличении звукового давления также плавно увеличивается интенсивность звука I, однако слуховое ощущение нарастает скачками, по мере увеличения числа возбуждаемых нервных окончаний. Такой элементарный скачок изменения слухового ощущения DI называется порогом заметности изменения интенсивности. Значение порога заметности зависит от текущей интенсивности звука I0 и частоты f (рис. 1.5). На высоких и средних уровнях ощущения уровень порога заметности составляет 0,2...0,6 дБ, а на низких уровнях доходит до нескольких децибел. Число скачков изменения слухового ощущения на средних частотах равно примерно 250, на низких и высоких частотах оно уменьшается, и в среднем по частотному диапазону составляет около 150. Поскольку слышимый диапазон изменения интенсивности равен 130 дБ, то элементарный скачок ощущений в среднем равен 0,8 дБ, что соответствует изменению интенсивности звука в 1,2 раза. Таким образом, увеличение мощности усилительного тракта менее чем в 1,44 раза практически не фиксируется ухом человека. При более низком звуковом давлении, развиваемом громкоговорителем, даже двукратное увеличение мощности выходного каскада может не дать ощутимого результата.

Рисунок 1.5 — Зависимость порога заметности изменения

интенсивности от частоты тона

Дальнейшее увеличение уровня интенсивности звука, в конце концов, приводит к появлению болевых ощущений — интенсивность звукового давления достигает порога болевых ощущений, определяющего верхнюю границу восприятия звуковой энергии (рис 1.3). Интенсивность болевого порога составляет около 10 Вт/м2, и, таким образом, диапазон уровня звука от порога слышимости до болевого порога равен 130 дБ для сигнала с частотой 1000 Гц.

Аудиосигналы характеризуются динамическим диапазоном. Динамический диапазон аудиосигнала — это разность между его квазиминимальным и квазимаксимальным уровнями:

. (1.11)

Квазимаксимальный уровень аудиосигнала () — уровень, для которого относительная длительность существования уровней не ниже его равна 2% для музыкальных программ (1% для речевых).

Квазиминимальный уровень аудиосигнала () — уровень, для которого относительная длительность существования уровней не ниже его составляет 98% для музыкальных программ (99% для речевых).

Примеры динамических диапазонов реальных аудиосигналов приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3

1.3.4 Временные характеристики восприятия

Слуховой аппарат человека, как и любая колебательная система, инерционен. При исчезновении звука слуховое ощущение исчезает не сразу, а постепенно, уменьшаясь до нуля (рис. 1.6).

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6