Музыкальный сигнал является нестационарным, т.е. представляет собой непрерывный переходной процесс с широким спектром частот. Если записывающая и воспроизводящая электронная аппаратура обладает достаточной широкополосностью (не менее 60 кГц) и малыми нелинейными искажениями, которые устанавливаются на очень коротких временных интервалах (менее 10 мкс), то музыка звучит прозрачно и детализовано. Применительно к усилителю мощности это означает, что он должен иметь ничтожно малые искажения на стационарном сигнале во всем диапазоне частот и хорошо передавать импульсный сигнал типа «меандр» -- без изменения скважности, без выбросов и «подзвонки». К примеру, широко используемый усилитель в микросхемном исполнении К174УН7 при удачной разводке имеет нелинейные искажения менее 0,05%, в то же время при усилении сигнала типа «меандр» скважность с 2 изменяется почти до трех! Причем на любом уровне входного сигнала.

Ограниченный частотный диапазон сверху современных систем записи (20 кГц для CD, а для бытовых магнитофонов и того меньше) приводит к тому, что высшие гармоники многих инструментов, а также обертоны человеческого голоса, достигающие 50...60 кГц, безвозвратно теряются при записи. Хотя эти гармоники человек и не слышит, но создаваемые ими ощущения учитываются нашим мозгом, и их отсутствие воспринимается как некая форма искажений, что снижает время комфортного прослушивания.

Разбаланс амплитудных и фазовых характеристик каналов

Разбаланс амплитудных и фазовых характеристик каналов оказывает существенное влияние на точность формирования КИЗ и на стереопанораму в целом. Коррекцию АЧХ в месте прослушивания необходимо сначала попытаться сделать с помощью оптимального размещения АС (по высоте, удалением от стен, углов, направлением на слушателя с помощью наклона и т.д.). Вполне допустимо слегка подправить АЧХ громкоговорителей с помощью хорошего эквалайзера. При снятии АЧХ с расстояния около 1 м от АС в микрофоне преобладает прямой звук и можно считать, что мы снимаем АЧХ громкоговорителя. Если микрофон установлен в месте расположения слушателя, можно выявить нежелательные провалы или выпячивания звука, связанные с акустикой помещения.

Что касается ФЧХ, то она в значительной степени зависит от качества примененных головок громкоговорителей, от кроссовера, а также от правильности фазировки громкоговорителей. Иногда фазировку головок приходится подбирать по максимально плоской АЧХ и по наилучшему звучанию на слух.

Динамический диапазон

Отношение сигнал/шум определяет динамический диапазон. Полный динамический диапазон музыки, достигающий 60...80 дБ, пропустить через тракт звуковоспроизведения сложно. Например, по каналам звукового вещания можно передавать сигналы с динамическим диапазоном немногим более 40 дБ. Поэтому в звукозаписи прибегают к искусственному сжатию и ограничению динамического диапазона. Хотя вносимые таким образом искажения чаще всего носят линейный характер, они приводят к перераспределению энергии между спектральными составляющими, в результате чего звук становится «плоским» и неприятным. Этим недостатком страдают многие записи на грампластинках и, особенно, на компакт-дисках.

На динамический диапазон большое влияние оказывают помехи: фон сети частотой 50 Гц, фон частотой 100 Гц из-за недостаточно отфильтрованного напряжения источника питания или неудачной трассировки печатных плат, разного рода шумы. Шумы и помехи сокращают динамический диапазон звукового тракта.

Для борьбы с шумами магнитной ленты разработано и использует большое количество различных шумоподавителей: пороговых, динамических (DNL, «Маяк» и т.п.), компандерных (Dolby, dbx, ANRS и др.). Следует отметить, что шумоподавители типа dbx к настоящему времени из бытовых магнитофонов практически исчезли. Одна из причин -- запись, сделанная с Dolby-В при небольшом завале в области ВЧ сносно звучит и на магнитофонах без шумопода-вителя, а вот запись, компрессированная системой dbx, без декодирования звучит ужасно.

Борьба с фоном и наводками достигается правильным выбором конструкции и расчетом силового трансформатора, его экранированием; экранированием чувствительных цепей, узлов, правильным выбором точек заземления, разделением слаботочных и сильноточных земель и т.п.

Кроме самого тракта на динамический диапазон большое влияние оказывает уровень шума и помех в помещении прослушивания, который достигает 40...50 дБ, в то время как музыку мы слушаем с максимальным уровнем громкости порядка 80...90 дБ. Акустические шумы и др. помехи маскируют обертоны, если уровень последних меньше уровня шумов и помех. В результате маскировки часть обертонов не будет восприниматься слухом, и тембр звучания будет обедненным.

Шум в студии складывается из следующих основных составляющих: шум, проникающий из смежных помещений, с улицы; шум от систем кондиционирования и вентиляции; шумы технического оборудования. Для изоляции от внешних шумов стены делают двойными, с воздушной прослойкой.

Рассмотрим некоторые особенности носителей записи. В грамзаписи максимальный уровень сигнала определяется глубиной канавки, с которой нет проблем, особенно после внедрения технологии DMM фирмы «Тельдек», предусматривающей прямую запись на металлический диск, с которого производится тиражирование грампластинок без промежуточных матриц. Следует отметить, что на пластинках отечественного производства отмечалась недостаточная глубина сигналов в области низших частот.

В магнитной записи основное препятствие для расширения динамического диапазона представляет сам носитель. При этом возникающие при перегрузке так называемые «мягкие» искажения менее заметны на слух, чем те, что возникают при перегрузке транзисторного усилителя или цифрового тракта.

В цифровой обработке музыки сигнал, превысивший цифрового максимум, просто обрезается. Поскольку реальный музыкальный сигнал содержит пики на 6...9 дБ превышающие среднюю амплитуду мастеринг-инженеру приходится выбирать одно из двух зол: либо что-то делать с пиками, изменив реальную динамику программы; либо оставить пики, и тогда средняя громкость сигнала окажется на уровне --17...23 дБ и даже ниже! В этом случае запись проигрывает в цифровом разрешении сигналов среднего уровня. При уровне же сигнала ниже --50 дБ искажения CD превышают 1%, т.е. превышают допустимый порог, и далее стремятся к 40%, т.к. возрастает относительный размер ступеньки. Уменьшить эти искажения можно путем интерполяции -- введения дополнительных отсчетов.

Существуют следующие меры борьбы с перегрузкой цифрового тракта:

- аналоговый динамический ограничитель перед АЦП;

- нелинейный ограничитель (soft clipping) уровня перед АЦП;

- программно реализуемая динамическая обработка (Samplitude Master) после ЦАПа, с помощью которой восстанавливается форма ограниченного сигнала, т.е. уменьшается спектр высших гармоник.

Чтобы избавиться от ВЧ-мусора на выходе ЦАП используют ФНЧ. Поскольку реальные фильтры вносят недопустимо большие фазовые искажения инженеры еще на заре эпохи CD придумали хитроумное решение -- увеличить частоту дискретизации цифрового сигнала в 8, 16, 32, 64 и более раз, т.е. произвести ее передискретизацию с помощью цифровых фильтров-интерполяторов, управляемых быстродействующими процессорами по специально разработанным программам, позволяющим максимально восстанавливать изначальную форму звукового сигнала. Сочетание многозвенного интерполятора и цифрового ФНЧ называют фильтром передискретизации.

В проигрывателях первых поколений с шумами квантования боролись подмешиванием белого шума (диттера), который достаточно эффективно их маскировал. В новейших моделях все чаще применяют интерполяцию сигналов малого уровня, позволяющее искусственно повысить разрядность сигнала до 18...20 бит, что уменьшает шумы квантования и позволяет отказаться от подмешивания белого шума. Качество звучания во многом определяется степенью линейности звукового тракта и акустическими свойствами помещения прослушивания.

Виды искажений

Различают следующие виды искажений:

- частотные (амплитудно-частотные),

- фазовые,

- нелинейные,

- интермодуляционные (комбинационные),

- динамические.

Частотные искажения возникают из-за совокупности различия коэффициентов передачи отдельных элементов тракта на разных частотах, вследствие чего нарушается соотношение амплитуд отдельных составляющих, а соответственно, и тембр звучания. Ограничение частот снизу делает звучание резким, ограничение сверху -- приглушенным. Обычно частотные искажения начинают замечать, когда изменение амплитуд в частотном спектре звука превышает 30...40% (около 3 дБ). Наибольшая чувствительность слуха к отклонению АЧХ находится в области частот 800...5000 Гц. АЧХ реальных головок, а в результате и громкоговорителей в целом, сильно изрезана пиками и особенно провалами. В результате в воспроизводимом сигнале часть обертонов «вырезается», а пики воспринимаются как внесенные гармоники (обертоны). При снятии АЧХ пики и провалы в частотной характеристике уже 1/8 октавы принято не учитывать. Это одно из объяснений того, что при «одинаковых» АЧХ громкоговорители имеют различие в тембре звучания.

Частотные искажения всего тракта аппаратуры высококачественного звуковоспроизведения в области средних частот не должны превышать 1...2 дБ.

Большие фазовые искажения вносят головки громкоговорителей. Фазовые искажения связаны с частотными. Дополнительные искажения вносят элементы коррекции АЧХ и разделительные фильтры акустических систем (кроссоверы). И первый, и второй вид искажений носит линейный характер.

Из-за нелинейной зависимости между напряжением и током, током и намагниченностью и т.п. (радиолампы, транзисторы, диоды, трансформаторы, индуктивности и т.п.), а также несовершенства конструкций головок громкоговорителей даже в одном звуковом тоне возникает целая группа гармоник, частоты которых кратны частоте основного тона. Величину нелинейных искажений измеряют в процентах. Коэффициент нелинейных искажений показывает, какую долю по напряжению составляют вновь появившиеся гармоники. Наибольший вклад нелинейных искажений вносят громкоговорители (до 5...7% при номинальной мощности . Причем, если в области средних и высших частот искажения вносят сами головки, то в области низших частот (до 300...400 Гц) вносимые искажения во многом зависят от акустического оформления. На слух нелинейные искажения не заметны, если их величина не превышает 3..,5% (сильно зависит от спектра гармоник). Поэтому полезно иметь громкоговорители с запасом по мощности.

Более сложная картина наблюдается при воспроизведении двух сигналов. К совокупности нелинейных искажений отдельных сигналов добавляются так называемые интермодуляционные или комбинационные искажения, представляющие собой сигналы с частотами равными сумме и разности частот основных сигналов. Чувствительность слух интермодуляционным искажениям очень высока. Наибольшие интермодуляционные искажения (до 25%) возникают в самих головках громкоговорителей, работающих от УМЗЧ с выходом по напряжению. При работе от УМЗЧ с выходом по току коэффициент интермодуляционных искажений примерно на порядок меньше .

Динамические искажения возникают в УМЗЧ и проявляются в выбросах выходного напряжения (или тока) на фронтах сигнала. Звучание утрачивает естественность, становится жестким.

Пути повышения качества звуковоспроизведения

На протяжении всего развития техники звукозаписи и звуковоспроизведения все усилия разработчиков аппаратуры были направлены на повышение качества звуковоспроизведения. Идет непрерывный процесс совершенствования как технологии записи (например, внедрение технологии DMM фирмы «Тельдек» для изготовления виниловых пластинок), так и всех элементов и узлов аудиотракта, начиная от микрофона и кончая громкоговорителем. Сюда же можно отнести разработку и стандартизацию оптимальных характеристик предискажений записи и воспроизведения; выбор оптимальных режимов записи: уровня записи, скорости движения носителя, тока подмагничивания, способа подмагничивания (обычное, динамическое адаптивное, динамическое безынерционное и др.); разработку всевозможных шумоподавителей: пороговых, динамических, компандерных, подавителей импульсных помех для проигрывателей грампластинок. Это и всевозможная обработка сигналов при записи звукорежиссерами и при воспроизведении с помощью встроенных в аппаратуру устройств.

В зависимости от изменяемого параметра полезного сигнала различают обработку по спектру (частотная обработка), по уровням (динамическая обработка), шумоподавление и спецэффекты.

Частотную обработку производят с помощью корректоров (многоканальных эквалайзеров и т.п.), динамическую -- с помощью ручных и автоматических регуляторов уровня, спецэффекты -- с помощью ревербераторов, линий задержки, гармонайзеров и других устройств, шумы снижают шумоподавителями.

Недостатки CD-проигрывателей и способы их устранения

Когда эйфория по поводу CD прошла, ведущие фирмы, каждая по-своему, взялись за устранение основных недостатков проигрывателей (ограниченный диапазон частот сверху, повышенные искажения малого сигнала, низкий реальный динамический диапазон).

Alpha (Denon) -- процессор, который математически восстанавливает младшие разряды и увеличивает общую разрядность ЦАПа до 20.

ANMS (Advanced Noise Shapping) (Denon) -- ЦАП с 8х передискретизацией. Недостаток: в результате наложения эффекта может приводить к различным аномалиям, вплоть до щелчков и искажений.

Bitstream (Marantz, Sherwood) -- цифровой фильтр с 96х передискретизацией.

Burr-Brown (NAD) -- 20-битовый сигма-дельта ЦАП для обеспечения линейности малого сигнала.

D.R.I.V.E. (Dynamic Resolution Intensive Vector Enhancement) (Kenwood) -- метод восстановления сигнала, обеспечивающий искусственное повышение разрядности, эквивалентное 20 битам, улучшает качество при низких уровнях сигнала (8х).

HDCD (High Definition Compatible Digital) -- система кодирования американской фирмы Pacific Micronics. Аналоговый сигнал подвергается обработке с более высокой частотой дискретизации. Затем основная часть информации кодируется обычным методом РСМ, а остальная часть, уточняющая мелкие детали и максимальные пики, кодируется в младших битах отсчетов (LSB), которые, как правило, не используются.

Hybrid Pulse (Sony) -- импульсный ЦАП (8х), отличающийся пониженной чувствительностью к уровню фона собственного источника питания, хорошо воспроизводит ВЧ-со-ставляющие сигнала.

Lambda Super Liner Converter (Denon) -- специальная схема, которая служит для линеарезации выходного аналогового сигнала вблизи перехода через ноль (подавляет искажения центральной отсечки).

Legato Link (Pioneer) -- система преобразования сигналов, обеспечивающая приближение к естественному характеру высших гармоник с частотами более 20 кГц, которые были потеряны при записи CD (384х).

MASH (Multistage Noise-Shaping) (NTT -- Япония) -- одноразрядный преобразователь, широко используется в CD-проигрывателях Technics и NAD. В основе преобразователя лежит дельта-сигма модуляция, формирует непрерывный аналоговый сигнал, руководствуясь всего одним разрядом, который указывает на изменение его амплитуды относительно предыдущего значения. Если это «единица», то амплитуда увеличивается на определенную величину, а если «нуль», то на такую же величину уменьшается. В результате 16-разрядные выборки, поступающие с декодера блока коррекции ошибок, преобразуются в широтно-модулированный импульсный сигнал (ШИМ), частота следования импульсов которого составляет от нескольких мегагерц до нескольких десятков мегагерц. В этом случае шумы преобразования отодвигаются по оси частот настолько далеко, что подавить их не составляет особого труда даже простым аналоговым ФНЧ.

P.E.M.D.D. (Pulse Edge Modulation Differential Linearity Errorless D/A Converter) (JVC) -- однобитовый ЦАП (8х), используемый во всех моделях фирмы, кроме самых дешевых.Pro-Bit (YAMAHA).

XRCD (extended Resolution Compact Disc) (JVC, 1996 г.) - компакт-диск с повышенным разрешением. Исходный аналоговый сигнал оцифровывается с помощью 20-разрядного суперкодера К2, который при 128-кратной передискретизации обеспечивает динамический диапазон в 108 дБ, уровень КНИ -96 дБ, существенное снижение искажений сигнала при низких уровнях. Преобразование в обычный CD-формат 16 бит/44,1 кГц происходит непосредственно при изготовлении диска-мастера. При этом заложенные улучшения можно получить на любом проигрывателе.

Из всего многообразия ЦАП в проигрывателях сегодня вне конкуренции однобитные ЦАП (многобитные ЦАП имеют повышенные искажения). Преобразование происходит на частоте, в сотни раз превышающей частоту дискретизации. В процессе преобразования анализируется не сама абсолютная амплитуда сигнала, а направление ее изменения: «1» соответствует увеличение сигнала, «0» -- его уменьшению. Нулевой уровень кодируется чередующимися «0» и «1». С выхода ЦАПа сигнал поступает на ФНЧ (часто совмещающий функции буферного усилителя) и через выходной буферный усилитель -- на выходные гнезда проигрывателя. Уровень сигнала около 2 В. Активное внедрение новых форматов SACD и DVD-audio (24 бита, 192 кГц) породило проблему восстановления старых мастер-записей с повышением качества до уровня нового формата. Для этого разработан процесс прецизионного ремастеринга с преобразованием потока данных из 16 бит/44,1 кГц в 24 бит/88,2 кГц. Новая технология Digital remaster processing обеспечивает повышенное качество звуковоспроизведения и более чистый и реалистичный звук. Если полоса частот звука, записанного на обычный компакт-диск, не может превысить 22,05 кГц (в соответствии с теоремой Котельникова), то на SACD она достигает почти 100 кГц. При этом динамический диапазон записи возрастает с 96 'до 120... 140 дБ! Качество звучания не уступает лучшим виниловым проигрывателям.

Возможное влияние слушателя:

- изменение акустической среды,

- коррекция АЧХ усилителя (регулятором тембра, эквалайзером),

- коррекция АЧХ громкоговорителя (с помощью аттенюаторов кроссовера, если таковые имеются).

Широкое внедрение эквалайзеров (особенно на гираторах), электронных и цифровых регуляторов громкости и тембра, электронных коммутаторов, различных шумоподавителей с внесением каждым устройством специфических искажений только увеличило тракт записи-воспроизведения и ухудшило достоверность, музыкальность и комфортность звучания. Чтобы сделать вывод о допустимости использования гираторных эквалайзеров в высококачественной звукозаписи, достаточно обработать им сигнал типа «меандр». Возникающий при этом «звон» красноречиво говорит сам за себя.

Лекция 7. Системы многоканального звука. Соединительные кабели

Вопросы: 1. Развитие систем многоканального звука.

2. Порядок и алгоритмы обработки сигналов.

3. Виды систем.

4. Соединительные кабели.

Литература:

1. А.В. Выходец и др. «Радиовещательная и электроакустическая аппаратура». Москва. « Радио и связь» 1989г.

2.А.С.Ефимов и др. «Акустика» Справочник. Москва. «Радио и связь» 1989 г.

3.А.А.Заикин, В.М.Карташова, Ю.А.Ружицкий «Электроакустические и усилительные устройства» Москва. «Высшая школа».1984 г.

4.А.А.Петров «Звуковая схемотехника для радиолюбителей» Москва. «Радио и связь» 2004г.

5. Г.Кинг «Руководство по звукотехнике» Ленинград «Энергия» 1980 г.

Системы многоканального звука

Двухканальному стереофоническому воспроизведению звука присущи следующие недостатки:

слабая локализация звуков по глубине (плоская стерео панорама с углом, ограниченным направлением на АС);

недостаточное ощущение "атмосферы зала";

появление "провала* по центру при неоптимальном разносе АС;

ограниченная зона стереоэффекта заставляет слушателя быть буквально привязанным к "точке" пространства.

Особенно сильно ощущаются недостатки обычного стерео при использовании громкоговорителей, имеющих узкую диаграмму направленности, например 35АС, в которых ощущается жесткая привязка звука к АС. Воспроизведение звуков с разных направлений имеет важное значение не только как факт их пространственного расположения, но и создает у слушателя ощущение звучащего объема (трехмерного звукового поля), восстанавливает в помещении прослушивания реверберационный процесс, максимально приближая к первичному.

Только современной аппаратуре класса Hi-End в какой-то степени под силу создать трехмерное пространство в двухканальном варианте.

Стремление избавиться от этих недостатков привело в начале 70-х к созданию 4-канальных псевдоквадрофонических систем. Для совместимости с имеющимися в эксплуатации стереофоническими и монофоническими системами информация каналов сворачивалась в два канала с помощью дополнительной поднесущей, например, CD-4 - четыре независимых канала (патент фирм JVC/Victor), или с помощью матричных кодеров, например SQ (патент фирм CDS/Sony); QS (Sansui); Dynaco (Dynaco/Gately); RM (Pioneer); QR (Kenwood); QM (Toshiba) и др.

Однако ни одна из этих систем не прижилась по следующим причинам. Например, CD-4 требовала расширения полосы частот до 45 кГц. Хотя эта проблема и была решена в грамзаписи, но уже после 10-15 проигрываний качество звука из-за шума становилось хуже, чем с обычных стереофонических дисков.

Матричные системы из-за фазовых сдвигов не обеспечивали достаточное разделение каналов. Кроме того, практически все системы требовали дополнительных усилителей мощности, не считая систем с пассивными декодерами. Полученное квадрофоническое звучание в ряде случаев уступало обычному стереофоническому.

Кроме квазиквадрофонических систем в то время было предложено много вариантов по улучшению звучания обычных стереофонических. Одна из таких систем (рис.1) позволяет улучшить разделение каналов и тем самым улучшить локализацию кажущихся источников звука (КИЗ). Дополнительные громкоговорители устанавливают справа и слева от основных на расстоянии около 50 см, соблюдая полярность включения, указанную на схеме.

Псевдоквадрофонические сигналы можно получить в разных точках тракта, но наиболее просто это сделать на выходе УМЗЧ - не требуется сложных активных декодеров и дополнительных усилителей мощности. Наиболее простой вариант псевдоквад-рофонической системы показан на рис2. Алгоритм декодирования примерно такой же, как и в декодерах Dolby (Dolby Surround, k=0,7; Dolby Pro Logic, k=0,5), которые разработаны для киноиндустрии:

LF=L - левый фронт, LS=k(L-R) - левый тыл,

RF=R - правый фронт, RS=k(R-L) - правый тыл,

где к - масштабный коэффициент.

Декодер Dolby Stereo декодирует три канала: L, R и С. Центральный канал С закодирован в левом и правом каналах и предназначен для исключения провала посередине экрана. Dolby Surround (в настоящее время классика кинозвука) декодирует левый, центральный и правый каналы плюс дополнительный 4-й канал эффектов, громкоговорители которого расположены вдоль боковых и тыловой стен кинозала.

В декодере Dolby Pro Logic помимо декодирования производится сложная обработка сигналов для подчеркивания стерео- эффектов и задержка сигналов тыловых АС от 20 до 50 мс. Так же, как и в предыдущих версиях декодера, полоса частот тылового и центрального каналов ограничена частотой 7 кГц.

Необходимо отметить, что многоканальная запись полностью отсутствует на пиратских копиях фильмов, а также на дублированных копиях. Кодированная информация имеется только на лицензионных кассетах, в фильмах, транслируемых по спутниковому телевидению, и на DVD дисках.

В конце 70-х начале 80-х была разработана отечественная система пространственного звука ABC [15]. Несмотря на то, что система ABC также не прижилась, она существенно улучшает звучание обычных стереофонических записей. Алгоритм декодирования следующий:

LF=L - левый фронт, LS=k(L-0,7R) - левый тыл,

RF=R - правый фронт, RS=k(R-0,7L) - правый тыл,

где к =1 - масштабный коэффициент.

Как показал эксперимент, масштабный коэффициент может быть уменьшен в 2-4 раза, что только уменьшает заметность работы тыловых АС, не ухудшая получаемого эффекта. Достоинства системы ABC следующие:

полная совместимость со всеми видами стереозаписи;

высокое качество пространственной стереопанорамы;

значительное расширение зоны стереоэффекта;

уменьшение привязки звука к фронтальным АС;

наличие двух дополнительных обширных зон стереоэффекта между фронтальными и тыловыми левыми и фронтальными и тыловыми правыми АС.

Простейший вариант пассивного декодера с к=0,69 показан на рис3. Номинал резистора R рассчитывают по формуле:

R=2,3Z_HOM,

где Z_H0M - номинальное сопротивление тыловых АС.

В случае, если в качестве тыловых АС используются громкоговорители, состоящие только из одной широкополосной головки, последовательно с R желательно включить дроссель индуктивностью:

L=2,3 L_r,

где L_r - индуктивность головки.

При использовании автором трехполосных фронтальных АС с головками 35ГДН-1-4 (25ГД-26), 20ГДС-1-4 (15ГД-11) и ЗГДЗ-1-8 (2ГД-36) по 2 шт. и тыловых АС с 25ГДН-1-4 (10ГД-34) и 4ГДВ-1-8 (ЗГД-47) последовательно с тыловыми АС были включены резисторы по 10 Ом, а R=33 Ом. При этом масштабный коэффициент к составляет всего 0,2!

Фронтальные АС в такой системе устанавливают на уровне головы (или чуть ниже) сидящего слушателя, а тыловые - на 30-50 см выше фронтальных на одной линии со слушателем или чуть впереди на таком же удалении от слушателя, как и фронтальные АС, образуя равнобедренную трапецию.

При сравнении с музыкальным центром фирмы Sony с такими декодерами, как Surround, Dolby Pro Logic, Dolby Digital, THEATER, HALL, и рассчитанными на подключение 5 АС, предпочтение слушателей оказалось на стороне системы ABC с к=0,2, как имеющей более "живой" звук. Большинство тестирующих пришло к единому мнению, что использование центрального канала "убивает" стерео. Использование вышеназванных декодеров музыкального центра для декодирования отсутствующей многоканальной информации (несмотря на задержку звука тыловых каналов на 15-30 мс большинством декодеров, чем имитируется большой объем помещения), только увеличивает тракт воспроизведения и вносит дополнительные искажения, делая звук "немузыкальным". Кроме того каналы С и S ограничены по частоте полосой 7 кГц.

Комбинированный вариант из схем рис.1 и рис.2 показан на рис.4 Для более эффективного подчеркивания НЧ составляющих последовательно с резистором, соединенным с «общим», можно включить индуктивность около 1 мГн, уменьшив номинал резистора до 22 Ом.

Несколько слов о цифровых системах многоканального звука. В 1992 г. в фирме Рея Долби (Dolby Laboratories) разработана цифровая система многоканального кодирования звука (Audio Coding -3) третьего поколения Dolby Stereo Digital (AC-3): левый/правый фронтальные, центральный, левый/правый тыловые и канал низкочастотных эффектов LFE (Low Freguency Effect). Полоса частот всех каналов 20-20000 Гц. Разделение каналов 50-60 дБ. Обозначили эту систему как "5.1". Дальнейшее развитие этой системы - система "6.1" - отдельно выделен центральный тыловой канал (Rear Center или Back Surround) и система "7.1" -восьмиканальная, с распаренным "тыловиком". Европейские аналоги системы "7.1" система DTS (Digital Theater System) и MPEG2 Musicam Mul-tichanal превосходят систему Dolby, так как имеют степень сжатия 1/3 против 1/12 в АС-3 и более высокую скорость передачи данных - 1411кбит/с против 384 кбит/с. При длительном прослушивании DTS звук менее утомителен, чем АС-3. Проигрыватели DVD сегодня - модели с декодерами Dolby Digital/DTS/MPEG-Multichanal.

Рис.1,2,3

Рис.4

Соединительные кабели

Наконец, когда казалось бы, все резервы были исчерпаны, взялись за соединительные кабели. Замечено, что сплошной моножильный проводник и однородное медное плетение вызывают так называемый "жирный и грязный" звук. Реальный звуковой сигнал носит импульсный характер, фронты которого составляют несколько микросекунд. А как известно, на сигнале с крутыми фронтами даже на частотах звукового диапазона в значительной степени проявляется скин-эффект (от англ. слова skin - наружный слой, оболочка) - эффект вытеснения тока, что приводит к возрастанию эффективного сопротивления соединительных кабелей. Очевидно, эта проблема в большей степени касается обычных транзисторных усилителей с выходом по напряжению. Отсюда и предложение некоторых разработчиков делать соединительные кабели из лицендрата (многопроводного кабеля, каждый отдельный проводник которого имеет изоляционный слой) или плоских проводников, в которых эффект вытеснения тока проявляется в меньшей степени. Другие предлагают соединение с АС выполнять отдельными коаксиальными кабелями.

Разные фирмы по-своему занялись решением этой проблемы. Разработаны уникальные технологии производства проводников, свободных от межкристаллических барьеров проводимости. Это и производство бескислородной меди (OFC, OFHC), и ориентированный прокат, и применение драгоценных металлов. Широко применяют и гибридные технологии с использованием слоя структурированного графита, устраняющие нежелательные эффекты, присущие многожильным проводникам. Это, наконец, кабели, изготовленные целиком из графитного волокна, полностью свободные от металлов с их проблемами. Специально разработаны изолирующие материалы со стабильными и устойчивыми к любым воздействиям внешней среды свойствами.

Улучшению звучания способствует и устройство компенсации сопротивления проводов. В последнее время широко рекламируют специальные соединительные кабели в виде витой сбалансированной пары с "некристаллической" структурой и отдельной экранной оплеткой, что позволяет эффективно устранять влияние на сигнал внешних электрических наводок и шумов. Золоченые контакты сводят на нет нелинейности контактных соединений. Ведь любой контакт металла с металлом, при наличии хотя бы тончайшей оксидной пленки, можно рассматривать как нелинейность электрической цепи. И эта нелинейность способна ухудшить звучание систем высокой верности [8].

Колоночные кабели имеют следующие основные параметры [10]:

емкость 18...80 пФ/м; индуктивность 0,66...1,9 мкГн/м; сопротивление на постоянном токе 0,0038...0,11 Ом/м; на частоте 1 кГц0,03...0,13Ом/м.

Причем верхнее значение соответствует обычной "лапше" - проводу общего применения, а суммарное значение параметра получают умножением соответствующего параметра на длину кабеля.

А теперь посмотрим, какой весовой вклад вносит каждый "элемент" соединительного кабеля в последовательной цепи. Индуктивность провода (единицы мкГн) включена последовательно с индуктивностью динамической головки (в среднем единицы мГн). Частота среза провода как RLC-фильтра составляет сотни МГц, т.е. далеко за пределами звукового диапазона. Активное сопротивление кабеля включено последовательно с выходным сопротивлением усилителя и может влиять на коэффициент демпфирования транзисторного усилителя, но не лампового. Ясно, что даже метровый кабель из провода общего применения снизит коэффициент демпфирования как минимум вдвое. В эксперименте [17] искусственно увеличивали сопротивление кабеля в 5-10 раз с помощью резисторов 0,1; 0,2,..., 0,5 Ом и снимали АЧХ АС. Заметных отклонений АЧХ, могущих повлиять, по мнению автора, на тембровую окраску, не обнаружено. Очевидно, потому что на синусоидальном сигнале в звуковом диапазоне скин-эффект почти не проявляется. Однако не следует забывать о том, что обертоны человеческого голоса простираются до 50...60 кГц. Кроме того, поставленный эксперимент не мог выявить изменения демпфирующих свойств усилителя. Для этого необходимо подавать прерывистый сигнал и наблюдать осциллограмму послезвучания в паузах между "пачками" сигнала. Разумеется, чем меньше относительная составляющая комплексного сопротивления проводов в последовательной цепи (выходное сопротивление усилителя, сопротивление проводов и разъемов, сопротивление АС), тем меньше проявление их нелинейности. Очевидно, что в более выгодном положении оказываются ламповые усилители как усилители с высоким выходным сопротивлением.

По той же причине при работе АС с транзисторными усилителями в большей степени проявляются и "интерфейсные" искажения - искажения, связанные с резко выраженным реактивным характером нагрузки реальной АС, нагруженной через провода сопротивлением 0,2...1,0 Ом. Ток, потребляемый АС при подаче на нее мощных импульсных сигналов, в несколько раз превышает ток при подаче синусоидального сигнала той же амплитуды, что эквивалентно уменьшению комплексного сопротивления АС. Поэтому даже при пренебрежимо малых искажениях на выходе усилителя К_г на входе АС может достигать 0,25...0,5%.

Для сведения к минимуму искажений этого вида рекомендуется подключать АС проводами как можно большего сечения и как можно меньшей длины. В противном случае желательно выносить компенсатор Буше (RC-цепочку из сопротивления 2... 10 Ом и конденсатора около 0,1 мкФ) непосредственно в АС или применять устройство компенсации проводов. Это подтверждают и исследования [8], где приведены сведения о том, что как бы не были малы искажения доработанного усилителя [18], они ничтожно малы по сравнению с искажениями, вносимыми соединительными кабелями и переходными контактами разъемов. Однако применение специально разработанных и широко рекламируемых соединительных кабелей стоимостью, соизмеримой со стоимостью самого усилителя мощности, полностью не решило проблемы. И только использование устройства компенсации сопротивления проводов позволило избавиться от дополнительных искажений.

В последнее время стали популярными соединения УМЗЧ с низко-, средне- и высокочастотными секциями АС отдельными парами проводов или кабелей (bi-wiring). Такое подключение позволяет существенно уменьшить взаимное влияние секций АС при уменьшении общего сечения проводников кабелей.

По мнению специалистов, лучше иметь длинный межблочный кабель и короткий акустический.

Лекция 8. Элементы акустического тракта

Вопросы: 1. Акустические системы - определение. Технические характеристики АС.

2. Виды искажений.

Литература:1.А.В. Выходец и др. «Радиовещательная и электроакустическая аппаратура».Москва. « Радио и связь» 1989г.

2. А.С.Ефимов и др. «Акустика» Справочник. Москва. «Радио и связь» 1989 г.

3.А.А.Заикин, В.М.Карташова, Ю.А.Ружицкий «Электроакустические и усилительные устройства» Москва. «Высшая школа».1984 г.

4.А.А.Петров «Звуковая схемотехника для радиолюбителей» Москва. «Радио и связь» 2004г.

5.Г.Кинг «Руководство по звукотехнике Ленинград «Энергия» 1980 г

Элементы Электроакустического тракта

Громкоговоритель, или как его еще называют акустическая система, предназначен для преобразования электрических колебаний в звуковые и, в простейшем случае, состоит из корпуса и динамической головки (однополосная система), а в случае 2-х и более полосной системы, предназначенной для работы от одного усилителя, содержит еще и кроссовер (разделительный фильтр). Многие современные АС, во избежание циркуляции токов, имеют отдельные платы кроссоверов для каждой полосы и отдельные пары клемм для подключения к УМЗЧ отдельными проводами (bi-wiring или tri-wiring для 2- и 3-полосных АС, соответственно).

Технические характеристики

В рекламных проспектах, как правило, указывают следующие основные параметры АС:

*электрическая мощность (Power handling);

*эффективный рабочий диапазон частот (Frequency response);

*номинальное сопротивление (impedance);

*характеристическая чувствительность (Sensitivity, Efficiency).

Причем не всегда указывают, какая мощность фигурирует в описании. Стандартами и рекомендациями МЭК оговорены следующие виды мощностей: звук колебание акустический аудиоаппаратура

-максимальная (предельная) шумовая (паспортная) мощность (power handling capacity), характеризующая устойчивость АС к тепловым и механическим повреждениям при длительной (в течение 100 ч) работе с шумовым сигналом типа «розовый шум», спектр которого приближается к спектру реальных музыкальных сигналов;

- максимальная (предельная) синусоидальная мощность (rated maximum sinusoidal power) -- мощность синусоидального сигнала той или иной частоты, при подаче которой на АС она может работать без повреждений в течение 1 ч;

- максимальная (предельная) долговременная мощность (long-term maximum input power) -- электрическая мощность шумового сигнала, при которой АС может работать без повреждений в течение 1 мин, при десятикратных испытаниях с интервалом 2 мин;

- максимальная (предельная) кратковременная шумовая мощность (short-term maximum input power) -- электрическая мощность шумового сигнала, при которой АС может работать без повреждений в течение 1 с, при шестидесятикратных испытаниях с интервалом 1 мин.

Многие фирмы в рекламных целях приводят значение «музыкальной» (пиковой) мощности (Р.М.Р.О -- peak music power output), которая определяется по немецкому стандарту DIN 45500, в соответствии с которым на АС подается кратковременный сигнал (2 с ±50 мс) частотой ниже 250 Гц такой мощности, при которой нет заметных на слух искажений. Эта мощность, как правило, превышает максимальную синусоидальную в десять и более раз.

Электрическую мощность потребители считают одной из главных характеристик АС, отвечающей за качество и громкость звучания. На самом деле создаваемое системой максимальное звуковое давление в большей степени зависит от ее характеристической чувствительности. Характеристическая чувствительность (или попросту -- отдача) -- среднее звуковое давление, развиваемое АС на рабочей оси на расстоянии 1 м при подводимой к ней мощности 1 Вт в определенной полосе частот. АС с чувствительностью на 3 дБ/Вт^1/2-м выше (в 1,4 раза) требует в 2 раза меньшей подводимой мощности для получения одинаковой громкости звучания. Различие АС по чувствительности в 6 дБ/Вт^1/2 * м требует разной мощности в 4 раза!

Нижняя воспроизводимая частота современных АС, в зависимости от класса, лежит в пределах 20...50 Гц, верхняя, как правило, не ниже 20...45 кГц, в ряде зарубежных AC Tehnics достигает 70 кГц, а в последних разработках фирмы SONY -- 100 кГц. Реже указывают такие параметры АЧХ, как ее неравномерность и спад на краях диапазона.

Номинальное электрическое сопротивление R_H0M -- активное сопротивление, которым можно заменить АС при определении подводимой к ней электрической мощности. Величина номинального электрического сопротивления обычно определяется минимальным значением модуля полного электрического сопротивления АС в диапазоне частот выше частоты основного резонанса и представляет отношение напряжения на входе громкоговорителя к току, протекающему в нем. Редко указывают минимальное и максимальное отклонение входного сопротивления. В полосе воспроизводимых частот входное сопротивление громкоговорителя в зависимости от акустического оформления, количества полос и добротности головок может иметь от одного до трех всплесков сопротивления до 40 Ом и более (отдельных случаях до 100 Ом). Отсюда и неприятный момент, которым сталкиваются аудиолюбители, когда «западают» на лампу - это чувствительность усилителя к капризам импеданса акустики.

Часто вне поля зрения оказывается характеристика направленности AC (Directivity, radiation pattern), а ведь именно от нее во многом зависит передача пространственной атмосферы. При узкой диаграмме направленности звук сильно «привязан» к АС. Характеристик направленности АС -- АЧХ по звуковому давлению, измеренная по углами до ±60° (±90°) в горизонтальной плоскости и до ±(5...10)^_ вертикальной плоскости.

Не всегда указывают и коэффициент нелинейных искажений (Distortion, Total Harmonic, T.H.D), а также интермодуляционных.

Гармонические искажения АС определяются суммарным характеристическим коэффициентом гармоник на заданной частоте f₁ или полосе частот по формуле:

К_r¹ =K_rP₁/Р

где К_г -- полный коэффициент гармонических искажений;

P₁ -- давление, развиваемое АС на частоте f₁ Па;

Р -- среднее звуковое давление, развиваемое АС в заданном диапазоне частот, Па.

Не менее важное влияние на качество звучания оказывают переходные характеристики и групповое время задержки (ГВЗ), которые характеризует наклон фазовой характеристики: t_ГВЗ = ??/?f . Чем прямее кривая ФЧХ, тем стабильнее ГВЗ во всем диапазоне частот.

Преобразование одного вида энергии в другой, в частности, электрической в акустическую, практически не происходит без искажений.

Основными видами искажений являются: амплитудно-частотные (АЧИ), фазочастотные (ФЧИ), нелинейные (НИ), интермодуляционные (ИИ) и переходные искажения (ПИ). Первые два вида искажений относят к линейным.

Принято считать, что качество звучания громкоговорителя почти целиком определяется его АЧХ по звуковому давлению, ее неравномерностью в диапазоне воспроизводимых частот и коэффициента гармоник.

Во-первых, АЧХ снимается на оси громкоговорителя и не несёт информации о направленности излучения, а ведь именно направленность излучения во многом отвечает за объемность и целостность звукового образа.

Во-вторых, одной цифрой невозможно оценить характер поведения нелинейных искажений во всем диапазоне частот и во всем динамическом диапазоне.

В третьих, основные искажения проявляются не на стационарном синусоидальном сигнале, а на сложном, где в большей степени проявляются переходные характеристики АС.

Более полную информацию об акустике дают объемные трехмерные графики следующих характеристик:

- частотно-угловая, где по оси X отражена частота, Гц; по оси Y -- звуковое давление, дБ; по оси Z -- угол от 0 до ±90" от оси громкоговорителя;

- частотно-переходная, где по оси X отражена частота, Гц; по оси Y -- амплитуда призвука, дБ; по оси Z -- длительность призвука от 0 до 4 мс;

- зависимость нелинейных искажений от частоты и уровня под водимой мощности, где по оси X отражена частота, Гц; по оси Y -- коэффициент гармоник, %; по оси Z -- мощность.

Но даже такой график нелинейных искажений не дает полную картину, т.к. не несет информацию о спектре излучаемых гармоник на каждой частоте в отдельности.

Подводя обзор характеристик, можно выделить следующие основные параметры АС в порядке значимости, влияющие на качество звучания:

- тембральные и пространственные характеристики;

- отсутствие резонансов, призвуков;

- динамический диапазон (микро- и макродинамика).

Виды искажений.

Остановимся более подробно на основных видах искажений и их причинах.

Амплитудно-частотные искажений (АЧИ)

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) звукового давления -- графическая или численная зависимость звукового давления от частоты. АЧХ громкоговорителей снимают в условиях свободного поля на расстоянии 1 метр от рабочего центра при подаче синусоидального сигнала напряжением 2 В (UM = 2,83 В).

Диапазон воспроизводимых частот -- диапазон, в пределах которого частотная характеристика звукового давления АС не выходит за пределы заданного поля допусков (-10 дБ в области нижних частот и -6 дБ в области верхних частот).

Неравномерность частотной характеристики звукового давления - разность максимального и минимального значений уровней звукового давления в децибелах (отношение максимального звукового давления к минимальному). Неравномерность в полосе от f_Н до 1,5 f_Н не более 10 дБ и от 0,66 f_В до f_В не более 6 дБ, в остальной части -- не более 2 дБ. Пики и провалы частотной характеристики уже 1/8 октавы не учитываются.

АЧИ хорошо видны на АЧХ громкоговорителя. Основные причины -- частотные зависимости сопротивления излучения и механических сопротивлений элементов и их комбинаций, а также зависимость от частоты электрического входного сопротивления преобразователя. АЧХ головки в «открытом» оформлении спадает в области НЧ крутизной 6 дБ/окт, что эквивалентно фильтру первого порядка.

Слух наиболее сильно реагирует на неравномерность АЧХ в области 1...4 кГц (область наибольшей чувствительности). По утверждению «слухачей», дисбаланс от средних частот к высоким, превышающий 1 дБ, как в пользу высоких частот, так и в пользу средних частот хорошо заметен на слух.

Психофизиологические исследования влияния направленности на субъективное восприятие показали, что АС, имеющие «хорошую» осевую АЧХ (т.е. с минимальной неравномерностью), но «плохую» характеристику направленности (т.е. узкую, с резкими изменениями ширины при изменении частоты), звучат жестко утомительно, т.к. стереообраз смещается с изменением спектрального состава сигнала.

Локальные понижения чувствительности (протяженностью меньше половины октавы) редко замечаются слухом при воспроизведении музыкальных фрагментов. Узкие же подъемы АЧХ приводят к ощущению призвука на данной частоте и классифицируются как окрашивание. Хорошо выделяется слухом даже незначительная разнос средних чувствительностей в широких частотных диапазонах, таких например, как области средних и высоких частот. Такой дисбаланс дает ощущение измененного колорита.

Подъем характеристики на низких частотах, особенно, если он сопряжен с лишней добротностью НЧ-головки (после прекращен электрического сигнала диффузор продолжает какое-то время колебаться на своей резонансной частоте), повышает относительную роль басов в спектре акустического сигнала, усугубляя их маскируют действие на средние частоты. Следует отметить, что воспроизведение звуков нижних частот сильно зависит как от акустического оформления, так и от расположения акустических систем в помещении: расположения по высоте; от расстояния до стены, углов. Внешняя конфигурация ящика оказывает влияние на АЧХ в области частот 600... 1000 Гц, вследствие эффекта дифракции (огибание волной препятствия). Потери дифракции в свободном пространстве на частах 50... 100 Гц и ниже в результате излучения в пространство 2л достигают 6 дБ. Наиболее благоприятная форма ящика с точки зрения дифракционных искажений -- шарообразная, наиболее неблагоприятная -- продолговатая (например, в виде трубы), с расположением НЧ-головки в торце. В реальном помещении потери дифракции проявляются в меньшей степени (до 4 дБ) и в значительной степени зависят от расположения в помещении.

Использование активного сабвуфера позволяет сделать бас глубже и мощнее и разгрузить усилители фронтальных АС, что делает звук отчетливее и динамичнее.

АЧХ АС в значительной степени зависит от удачного сопряжения частотных поддиапазонов (бас-середина-верх) с помощью кроссовера: правильность расчета фильтров, сопряжения полос; выравнивание головок по звуковому давлению с помощью аттенюаторов, трансформаторов или автотрансформаторов. Несовершенство динамиков может быть усугублено акустическим оформлением: слабая заглушенность внутреннего объема, высокая изгибная податливость стенок, неправильная настройка фазоинвертора и т.п.

Основные причины этого вида искажений: частотные зависимости сопротивления излучения и механических сопротивлений элементов преобразователей и их комбинаций, а также зависимость от частоты электрического входного сопротивления АС. Сила взаимодействия переменного тока, протекающего по звуковой катушке, и магнитного поля приводит в осевое колебательное движение катушку и жестко соединенный с нею диффузор. Количественно эта сила (в Ньютонах) равна:

F=B?I?L

где В -- магнитная индукция в кольцевом зазоре, Тл;

L -- длина проводника звуковой катушки, м;

I -- сила тока, А

Как видно из формулы, эта сила пропорциональна току в катушке. А поскольку импеданс громкоговорителя носит индуктивный' характер, ток в катушке на фронтах импульсов и обертонов при работе АС от УМЗЧ с выходом по напряжению не повторяет подводимое к головке напряжение (чего не скажешь о ламповых усилителях, работающих с высоким выходным сопротивлением, т.е. по существу с выходом по току). Отсюда, какой бы широкополосный усилитель не был, возникает потребность в компенсации тока на фронтах сигнала с помощью регуляторов тембра, что в свою очередь неизбежно ведет к дополнительным фазовым искажениям и нарушению тонального баланса. Обработка же сигнала с помощью гираторных эквалайзеров приводит к распушенному звучанию, наподобие подвозбуда.

Следует иметь в виду, что входное сопротивление многополосной АС имеет как минимум 2-3 подъема до 20...50 Ом и более. Очевидно, что и падение напряжения на АС при работе от источника с высоким выходным сопротивлением будет повторять характер входного сопротивления и приводить к соответствующему изменению АЧХ воспроизведения. В этом и заключается одна из причин различного звучания ламповых и транзисторных усилителей.

Высокая стабильность входного импеданса АС позволяет ей хорошо работать с любым качественным, как ламповым, так и транзисторным усилителем.

Фазочастотные искажения

Сущность ФЧИ проявляется в сдвиге фазы между подводимым электрическим напряжением и развиваемым преобразователем звуковым давлением. Наибольшая чувствительность к фазовому сдвигу в звуковом сигнале обнаруживается в полосе частот 200... 1600 Гц (т.е. в области наибольшей чувствительности к направленности звука) и составляет 10⁰... 15⁰ (порог). ФЧХ, в зависимости от характеристик разделительных фильтров и самих головок, в звуковом диапазоне может иметь сдвиг фазы почти до 700⁰ . Важно, чтобы наклон характеристики имел плавный характер без локальных (в диапазоне 0,5... 1 октавы) выбросов.

Основными причинами ФЧИ в АС является сложный диспергирующий характер колебательных процессов в подвижных системах динамических головок (на частоте основного резонанса НЧ-головки опережение по фазе составляет 90°, а уже к частотам 400...700 Гц, в зависимости от конструктивных особенностей конкретной головки, запаздывание достигает 90°), частотно-зависимые фазовые сдвиги в кроссоверах, а также фазовые сдвиги из-за пространственного расположения динамических головок в корпусе АС. О фазочастотной характеристике однополосного громкоговорителя косвенно можно судить по зависимости модуля входного сопротивления от частоты. Чем меньше отклонения сопротивления от номинального, тем меньше и дополнительные фазовые сдвиги.