Требования, предъявляемые к аппаратуре для обеспечения естественного звучания.

Существующие в настоящее время звукотранслирующие устройства могут быть разделены на две основные группы.
К первой группе относятся те устройства, которые предназначены для передачи промышленных (профессиональных) сообщений. Во вторую группу входят устройства для передачи художественных и музыкальных программ. Это студийные и бытовые звуковоспроизводящие устройства.
Для аппаратуры второй группы основным требованием является естественность воспроизведения звука. Для обеспечения этого необходимо, чтобы определенным требованиям удовлетворяли следующие характеристики звукопередающей линии:

1) полоса пропускаемых частот;
2) уровень передачи (громкость) и динамический диапазон;
3) нелинейные искажения;
4) интермодуляционные искажения;
5) импульсная характеристика;
6) отношение сигнал/шум.

Эти характеристики оценивают звукопередающий тракт объективно. При определении качества передачи звука важную роль играют субъективные оценки. Однако требования, предъявляемые к системе звукопередачи, полученные на основании анализа этих двух оценок, являются противоречивыми.

Объективные оценки звукопередающей аппаратуры требуют, чтобы в процессе передачи звука от какого-либо источника все его характеристики оставались неизменными (как у исходного оригинала). Качество передающей системы в этом случае можно проверить, измеряя соответствующими приборами физические характеристики звука на концах звукопередающей цепи: давление звука, искажения, пространственное положение источника звука и т.д. Такая звукопередача, однако, не всегда соответствует физиологическим потребностям слушателя. На основании физиологических исследований установлено, что воспринимается звук по-разному при его прослушивании непосредственно вблизи источника и по трансляции.
Например, при прослушивании концерта динамика большого оркестра нисколько не мешает слушателю, сидящему в концертном зале. В то же время при воспроизведении звучания того же оркестра по трансляции в жилом помещении динамика оркестра не только мешает, но даже вызывает неприятное ощущение. Это объясняется тем, что звук в концертном зале соответствует акустическим свойствам последнего как в динамике, так и в давлении звука, и в стереоэффекте. Если тот же самый звук прослушать в жилом помещении, акустическая среда изменится и соответствующие оригиналу давление звука и его динамика здесь уже неблагоприятно сказываются на слуховых нервах.
На основании этого можно сказать, что качество передачи звука может быть оценено на основании объективно измеренных технических характеристик передающей системы и субъективно определенных физиологических требований. Рассмотрим основные из этих характеристик.

Полоса пропускания частот.

Раньше ширину полосы пропускания звукотранслирующих устройств задавали субъективно. Как известно, ухо среднего слушателя воспринимает звуковые колебания, лежащие в пределах частот 20…16 000 Гц с интенсивностью 10–12…1 Вт/м2 в зависимости от частоты. Долгое время считалось, что эта ширина полосы частот удовлетворяет требованиям естественного воспроизведения звука.
Установлено, что поскольку обычно передается сигнал несинусоидальной формы, то на качество передачи существенно влияют и высшие гармоники. Эти высшие гармоники в большинстве случаев лежат вне области слышимости. Большинство звуковых колебаний, возникающих в природе, имеет скачкообразную форму и, следовательно, содержит высшие гармоники. И этот перепад интенсивности колебаний тоже необходимо донести до слушателя. Указанный перепад только тогда можно воспроизвести естественно, если составляющие высших гармоник будут присутствовать и соответствовать оригиналу в точке прослушивания. Таким образом, необходимо, чтобы полоса пропускания звукопередающей системы была шире, чем средний диапазон частот, воспринимаемый человеческим ухом. Практические возможности, естественно, ограничивают это увеличение полосы пропускания. По общепринятым нормам для звукопередающих систем требуется полоса пропускания 20…20 000 Гц. Понятие полоса пропускания только тогда имеет смысл, когда в ее пределах будет задано отклонение коэффициента передачи на крайних частотах полосы пропускания от коэффициента передачи на какой-либо выбранной внутри полосы пропускания частоте (обычно в качестве последней выбирают частоту 1 кГц). Если в пределах полосы пропускания усиление будет изменяться плавно, а не скачкообразно, то отклонения усиления в 2…3 дБ в крайних точках этой полосы слушатель практически не заметит. Поскольку значение 3 дБ удобно при вычислениях, то по принятым международным нормам полоса пропускания устанавливается из условия допустимого значения усиления в ее крайних точках на величину ± 3 дБ.

Уровень передачи и динамический диапазон.

Одной из основных проблем обеспечения естественного звучания является уровень передачи и динамический диапазон. Ранее уже указывалось на то, что субъективное восприятие звука определяет требования к динамическому диапазону при непосредственном прослушивании звука и прослушивании его по системе трансляции.
Музыкальные инструменты обладают динамическим диапазоном, равным примерно 70…75 дБ. Это значит, что давление звука от большого оркестра в концертном зале в среднем составляет 85…90 фон. Указанное давление звука при прослушивании в концертном зале не мешает и в то же время совершенно недопустимо при прослушивании в жилом помещении. Это объясняется тем, что при звучании большого оркестра в концертном зале или на студии источник звука является как бы пространственным, занимает большой объем и сама акустика помещения способствует медленному, плавному затуханию звука. При прослушивании того же оркестра в жилом помещении по трансляции источник звука точечный (в виде одного-двух громкоговорителей) и из-за несовершенной акустики помещения (его малые размеры) звук быстро затухает, что и влияет отрицательно на органы восприятия. Следовательно, возникает необходимость искусственно уменьшать динамический диапазон звука в линии передачи.
На основе физиологических исследований для звукопередающих систем с естественным звучанием установлен динамический диапазон в 50 дБ, который в точке прослушивания достаточно хорошо обеспечивает подобие звука оригиналу. Что касается нижнего предела динамического диапазона, то он определяется уровнем собственного шума системы.

Нелинейные искажения.

Если на вход усилителя подать синусоидальный сигнал и сравнить его с выходным сигналом, то можно обнаружить, что в последнем кроме составляющей основной частоты, имеются и высшие гармоники. Эти гармоники искажают усиливаемый сигнал (так называемые нелинейные искажения).
Поскольку чувствительность человеческого уха не линейна по отношению к искажениям при изменении уровня звука, то возможен некоторый компромисс.
На основании практических экспериментов установлено, что при силе звука 100 фон величина искажений в 1,5…2% уже заметна, меньшие же искажения незаметны. На основании этого Hi-Fi усилитель проектируют таким образом, чтобы максимальные нелинейные искажения никогда не превышали 1%. Эту величину нелинейных искажений, как правило, нормируют для первых трех гармонических составляющих.

Интермодуляционные искажения.

Интермодуляционные искажения наряду с нелинейными наиболее неблагоприятно влияют на качество звучания. Причем указанные искажения максимальны при наибольших сигналах и поэтому ухудшают естественность звучания при музыкальных формиссимо. Причиной возникновения интермодуляционных искажений является нелинейность характеристики усилителя. Если на вход усилителя подать два синусоидальных сигнала разной частоты, то на выходе кроме высших гармоник входных сигналов появятся сигналы с частотами, равными сумме и разности частот входных сигналов, сумме и разности удвоенных частот входных сигналов и т.д. Значение интермодуляционных искажений определяется как сумма всех амплитуд соствляющих комбинационных частот. У современных полупроводниковых усилителй с выходной мощностью 25…30 Вт интермодуляционные искажения могут быть доведены до 0,5…1%.

Импульсная характеристика.

Как уже было отмечено, роль переходных процессов при прослушивании музыкальных программ велика. Импульсная характеристика звукопередающей цепи зависит от полосы пропускания и неравномерности частотной характеристики и тем хуже, чем менее равномерна частотная характеристика. Импульсную характеристику усилителя проверяют, подавая на его вход импульсы прямоугольной формы. Такие импульсы имеют спектр, состоящий из бесконечного числа гармонических составляющих. Для получения идеального прямоугольного импульса необходимо, чтобы амплитуды и фазы гармонических составляющих находились в определенной зависимости и были стабильны.
Проверка импульсной характеристики усилителя, таким образом, весьма точно оценивает его импульсные свойства, так как малейшие искажения амплитуды или фазы гармонических составляющих приводит к искажению прямоугольного импульса.
С точки зрения импульсной характеристики громкоговоритель – самое слабое звено в звукопередающем устройстве.

Отношение сигнал/шум.

Нижний предел динамического диапазона звукотранслирующей системы определяется собственным шумом. Таким образом, динамический диапазон усилителей можно характеризовать отношением сигнал/шум, заданным в децибелах. Для Hi-Fi усилителей установлено минимальное значение отношения сигнал/шум 50 дБ. Это значение опеределяет отношение выходного напряжения усилителя к его собственному шуму. Для некоторых звуковоспроизводящих устройств (например, магнитофонов) отношение сигнала к шуму задают отдельно для различных трактов (например, отдельно для записывающих и воспроизводящих усилителй или для усилителей и магнитной ленты и т.д.)

© Д. Чабаи
«Новинки в электроакустике и технике магнитной звукозаписи»
Пер. с венгерского П. П. Бескида Москва «Советское радио» 1974г.
стр. 6-9
Полный текст книги в формате djvu можно прочесть здесь:

http://mickey15.narod.ru/books/Csabai-1.djvu

http://mickey15.narod.ru/books/Csabai-2.djvu

http://mickey15.narod.ru/books/Csabai-34.djvu

С уважением, Артём