Если в разработках прежних лет регулятор громкости, как правило, устанавливали на входе предусилителя, то с целью уменьшения шумов, особенно на малой громкости, в последнее время регулятор громкости преимущественно устанавливают непосредственно на входе УМЗЧ.

Если обратиться к кривым равной громкости , учитывающим физиологическую особенность слуха, то станет ясно, что обеспечить требуемую АЧХ при малой громкости с помощью простых регуляторов тембра практически невозможно. Как показывает практика, большинство аудиофилов слушает музыку с крайним подъемом как высоких, так и низких частот. Правильно спроектированный тонкорректор упрощает управление усилителем и позволяет существенно улучшить субъективно воспринимаемую звуковую картину, особенно при низких уровнях громкости.

В основу регулятора (рис. 5) положен упрощенный вариант , который требует применения переменного резистора группы В, т.е. с логарифмической характеристикой. Строго говоря, необходимая характеристика резистора несколько отличается от логарифмической. Поэтому для обеспечения плавной регулировки во всем динамическом диапазоне переменный резистор выполнен на сдвоенном переключателе на 26 положений (одно не используется) и набран из резисторов следующих номиналов, считая снизу: 130; 200; 220; 300; 430; 510; 680; 910 Ом; 1,2; 1,6; 2,2; 3,0; 4,3; 7,5; 11,0; 13,0; 15,0; 15,0; 13,0; 12,0; 10,0; 8,2; 6;2; 5,1 кОм. Суммарное сопротивление 132 кОм. При этом шаг регулировки громкости до уровня минус 30 дБ составляет 2 дБ, а от минус 30 до минус 60 дБ шаг регулировки постепенно возрастает. Предусмотрена возможность отключения тонкоррекции, поскольку ее использование в ряде случаев связано с определенными проблемами :

при данном положении регулятора заранее неизвестно, какой в действительности окажется субъективная громкость;

любая коррекция АЧХ вносит определенные фазовые искажения;

многие музыкальные инструменты при исполнении на них громких и тихих пассажей издают звуки с разной тембральной окраской

Рис.3.

Рис.4

Рис. 5

Рис.6,7.

Рис.8.

Включение и отключение тонкомпенсации выполнено с помощью твердотельных оптронных реле типа 5П14.9Б, имеющих сопротивление замкнутых контактов не более 25 Ом (типовое значение 15...20 Ом), поэтому вносимые ими искажения пренебрежимо малы. Такое реле предназначено для коммутации переменного тока напряжением до 230 В (амплитудное) при токе нагрузки до 100 мА.

На выходе регулятора включены буферные усилители DA3, DA4 с коэффициентом усиления около 2 (зависит от номиналов резисторов в обратной связи). На этих же каскадах выполнен и регулятор баланса. Номиналы резисторов обратной связи выбирают, исходя из имеющихся в наличии группы А.

При включении питания диоды оптопар обтекаются током через резистор R7, и реле находится во включенном состоянии (контакты 7-8 замкнуты, 5-6 разомкнуты), т.е. тонкомпенсация включена. Для ее отключения достаточно замкнуть вывод 5 платы на "общий* с помощью внешнего переключателя или электронного (транзисторного) ключа.

Все элементы, кроме переменных резисторов, расположены на печатной плате размером 60x50 мм (рис.6, проводники показаны на просвет). Сборочный чертеж платы показан на рис.7. Плата рассчитана на установку с помощью стоек в торце регулятора громкости (переключателя).

Для уменьшения шумов в некоторых моделях усилителей фирма Marantz использует "двухсту-пеньчатую" регулировку, где помимо обычного регулятора громкости, который ослабляет уровень входного сигнала, с помощью второй ступени регулируют глубину ОС, причем малая громкость обеспечивается в основном за счет второй ступени, а не за счет ослабления входного сигнала, а значит, и меньше увеличивается уровень шумов.

Ссылаясь на высокий уровень звеньев современного стереокомплекса, многие меломаны утверждают, что регулятор тембра не нужен вообще, вполне достаточно иметь тонкомпенсированный регулятор громкости с отключаемой тонкоррекцией. Но, во-первых, не все носители звука одинаково качественно записаны. Во-вторых, кривые равной громкости носят усредненный характер, и не исключено, что они не совпадают с Вашими физиологическими особенностями. Поэтому, как бы ни был удачно спроектирован тонкорректор, желательно иметь возможность начальной коррекции АЧХ тракта под конкретные громкоговорители и акустику помещения с помощью регулятора тембра.

В-третьих, все зависит от выходного сопротивления УМЗЧ. Для лампового усилителя с высоким выходным сопротивлением регулятор тембра практически не нужен. Транзисторные усилители с выходом по напряжению нуждаются в небольших предыскажениях на высоких частотах, что можно сделать с помощью регулятора тембра.

Наиболее безобидны пассивные регуляторы, так как вносимые ими искажения только фазовые. Недостаток - ослабление сигнала на 10 дБ и более.

Активные фильтры свободны от этого недостатка, но к ним следует относиться весьма осторожно. Они должны иметь достаточный запас по перегрузочной способности, пренебрежимо малый коэффициент гармоник на стационарном сигнале, правильно передавать импульсный сигнал типа "меандр" в среднем положении регуляторов и правильно его обрабатывать. Хорошо работает двухполосный активный регулятор тембра упомянутого усилителя Амфитон 25У-002С. Аналогичная схема и в усилителе Toshiba SY-C15.

Применение многополосного регулятора тембра (эквалайзера) оправдано в профессиональной аппаратуре, где необходимо скорректировать АЧХ воспроизведения для конкретного зала. В качестве вспомогательных приборов используют измерительный микрофон с усилителем, спектроанализатор и генератор розового шума (сигнал, уровень спектральной плотности которого при повышении частоты снижается с постоянной крутизной 3 дБ/окт. во всем диапазоне измерений). Оценить АЧХ на слух весьма проблематично. Поэтому большинство аудиолюбителей используют эквалайзер с результирующей характеристикой, соответствующей характеристике двухполосного регулятора тембра с крайним подъемом НЧ и ВЧ. Популярные гираторные эквалайзеры в подавляющем большинстве непригодны для обработки звукового сигнала, особенно на высоких частотах.

Предлагаемый трехполосный регулятор (рис.8) выполнен по традиционной схеме и имеет обычный регулятор нижних частот и регуляторы частот 3,5 и 16 кГц. Частота 3,5 кГц выбрана для получения "эффекта присутствия".

Учитывая сложности с ферритовыми кольцами (их дефицитом и сложностью намотки), индуктивность регулятора средних частот выполняют на транзисторном эквиваленте - гираторе.

Конструкция и детали

Переменные резисторы типа СПЗ-33-23П группы А, которые запаивают непосредственно в плату размером 100x70 мм (рис.9). Сборочный чертеж платы показан на рис.10. Дроссель 1L1 намотан на ферритовом кольце К18x5x5 мм и содержит 100 витков провода ПЭВ-2 0,27. Вместо эквивалента индуктивности можно также включить дроссель индуктивностью 60 мГн - 245 витков провода ПЭВ-2 0,18 на таком же кольце. При этом конденсатор 1СЗ емкостью 0,01 мкФ необходимо заменить на 0,033 мкФ.

При отсутствии колец дроссель 1L1 можно исключить, при этом подъем ВЧ составляющих сигнала будет в более широкой полосе частот.

В заключение можно сделать следующие выводы.

1. В двухполосных (многополосных) транзисторных УМЗЧ целесообразно использовать два типа усилителей:

с выходом по напряжению для работы на НЧ головки;

с выходом по току для работы на СЧ-ВЧ головки.

2. Уменьшению влияния отклика реальной АС способствуют:

малая глубина общей ООС;

стабильность импеданса АС во всем диапазоне частот (зависит от кроссовера);

уменьшение выходного сопротивления усилителя без ООС (на случай ее обрыва при перегрузке) включением спаренных выходных транзисторов;

включение на выходе УМЗЧ трансформатом (нелучший вариант);

отказ от общей ООС в звуковом диапазоне частот (кроме инфранизких), а использование ООС с выхода предоконечного каскада;

мягкое ограничение сигнала (не допускающее перегрузки) до усилителя .

Использование комбинированной ООС(по току и по напряжению) позволяет регулировать выходное сопротивление от отрицательного его значения (для НЧ головок) до несколь ких м. Выходное сопротивление в несколько м в звуковом диапазоне и нулевое на инфранизких частотах приближает характеристики транзисторных УМЗЧ к ламповым.

УМЗЧ должен быть достаточно широкополосным (не мене 60 кГц), чем шире полоса без общей ООС, тем лучше.

Для уменьшения уровня шумов регулятор громкости следует располагать как можно бли же ко входу усилителя, а также предусмотреть отключение тонкомпенсации.

Регулятор тембра (в среднем положении регуляторов) должен без искажений передавать им пульсный сигнал типа «меандр» и не приводить к «звону» в любом положении регуляторов. Должен быть предусмотрен обводной канал.

Рис. 9,10.

Лекция 14. Стереофонические Наушники

Вопросы: 1. Основные акустические термины и определения.

2.Классификация, характеристика и применение наушников.

3.Виды наушников. Конструирование, изготовление и подключение наушников. Методы измерения их характеристик.

Литература: 1.А.А.Петров «Звуковая схемотехника для радиолюбителей» Москва. «Радио и связь» 2004г.

2.В.Г.Скляров «Стереофонические наушники и их применение» С-П «Наука и техника» 2003 г.

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

В настоящее время для прослушивания стереофонических программ широко используются наушники. Первые радиоприемные устройства снабжались телефонами - электроакустическими устройствами, преобразующими электрические колебания в акустические колебания воздушной среды из медного провода, надетые на полюсные наконечники. Два телефона, объединенные пружинящей пластиной-- оголовьем, получили название головные телефоны (Head Phones); в быту их стали чаще называть наушниками. Номинальный диапазон рабочих частей таких наушников составляет всего 300-3000 Гц при неравномерности частотной характеристики 20 дБ и нелинейных искажениях порядка 15 %. Они обеспечивали приемлемое качество речи, но музыка звучала весьма посредственно.

Наушники были постепенно вытеснены громкоговорителями, обеспечившими в то время более высокое качество звучания. Радиоаппаратура стала, таким образом, «громкоговорящей».

Для дальнейшего улучшения качества звучания радиоприемных устройств и систем звуковоспроизведения конструкторы шли по пути совершенствования громкоговорителей. Поистине революционным этапом в радиовещании и звукозаписи было начало вещания в УКВ диапазоне с частотной модуляцией. Частотный диапазон радиовещательного тракта расширился до полосы 40-12000 Гц. В продажу поступили виниловые «бесщеллачные» грампластинки с еще более широкой полосой частот. Тогда впервые стали употреблять термин «высококачественное звуковоспроизведение». За рубежом 8 связи с этим получило распространение название High Fidelity (сокращенно Hi-Fi), что означает в переводе «высокая верность», «высокая точность». Этим термином обозначали системы, у которых точность воспроизведения звука была таковой, что большинство слушателей при непосредственном сравнении не могли заметить разницы между, например, звучанием «живого» оркестра и звучанием того же оркестра, но в записи. Со временем термин Hi-Fi стал символом, определяющим высокий класс звуковоспроизводящей аппаратуры. Громкоговорители, оказавшись самым «слабым звеном», вновь потребовали модернизации. Применением более совершенных материалов и технологий, использованием данных научных исследований удалось «подтянуть» громкоговорители. По мере еще большего повышения требований к системам высококачественного воспроизведения звука и дальнейшего совершенствования громкоговорителей стали очевидны и некоторые их недостатки, которые заставили специалистов вернуться к наушникам и попытаться усовершенствовать их. Инженерами-разработчиками акустической аппаратуры были созданы наушники, удовлетворяющие требованиям высококачественного воспроизведения звука.

Дальнейшая практика использования наушников выявила ряд их преимуществ перед громкоговорителями. Если не рассматривать сложные и соответственно очень дорогие громкоговорители, то можно с уверенностью сказать, что качество звучания наушников даже лучше, чем громкоговорителей высокого класса, и вот почему.

Во-первых, наушники дают возможность полного разделения правого и левого каналов, создают ярко выраженный стереоэффект, не зависящий от акустики помещения и места расположения слушателя. Это не может быть достигнуто при использовании громкоговорителей, когда сигнал от правого громкоговорителя воспринимается не только правым, но и левым ухом, а сигнал от левого -- не только левым, но и правым ухом.

Во-вторых, большинство наушников эффективно воспроизводят звуковые сигналы, начиная с частоты 10-20 Гц. Такие сигналы воспроизводят далеко не все высококачественные громкоговорители. Для них считается очень хорошим нижний предел воспроизводимых частот 35-40 Гц. Кажущаяся незначительной разница «всего» 15-20 Гц, в низкочастотной области существенно влияет на качество звучания. Верхний предел эффективно воспроизводимых частот у наушников и громкоговорителей примерно одинаков, но частотная характеристика наушников значительно более плавная, в ней отсутствуют «пики» и «провалы», свойственные, к сожалению, даже самым совершенным громкоговорителям. Кроме того, в отличие от громкоговорителей, наушники не имеют выраженного механического резонанса в области низких частот.

В-третьих, нелинейные искажения, вносимые наушниками в исходный звуковой сигнал, незначительны. Это создает особую чистоту и «прозрачность» звучания.

В-четвертых, наушники могут обеспечить уровень звукового давления, соответствующий натуральному звучанию при незначительной подводимой электрической мощности. Так, большинство высококачественных наушников обеспечивают уровень звукового давления 100-120 дБ при подводимой мощности до 100 мВт. В то же время наиболее распространенные громкоговорители развивают на расстоянии 1 и уровень звукового давления около 80 дБ при подводимой электрической мощности 0,1 Вт. Для получения уровня звукового давления 90 дБ необходима мощность 1 Вт, для 100 дБ -- 10 Вт, а для 120 дБ -- 1000 Вт. Технически выполнить такой громкоговоритель и усилитель довольно сложно.

В-пятых, элементы преобразователей наушников малы и, имея незначительную массу, практически безынерционны. Наушники гораздо легче демпфировать, поэтому они обеспечивают хорошую переходную характеристику, т.е. способны точнее воспроизводить звуки импульсного характера.

И, наконец, прослушивание через наушники музыки даже с очень большой громкостью не создает помех для окружающих людей, в то же время и слушатель изолирован от посторонних шумов благодаря хорошей звукоизолирующей способности наушников.

Указанные особенности наушников оказались весьма полезными также при киносъемках и звукозаписи. Контроль с помощью наушников качества записи в процессе записи позволяет выявлять малейшие дефекты фонограммы и оперативно их устранять. Наушники можно подключать не только к стереофоническим устройствам, но и к монофоническим, в том числе к портативным.

Основными параметрами, определяющими качество и эффективность работы наушников, являются: частотная характеристика чувствительности по звуковому давлению, чувствительность, коэффициент нелинейных искажений, номинальная и максимальная мощность, номинальное электрическое сопротивление, модуль полного электрического сопротивления. Немаловажными параметрами являются идентичность частотных характеристик чувствительности левого и правого наушников, способность наушников звукоизолировать слушателя от внешнего шума. Знание технических характеристик наушников позволяет оценивать их качество, определять пригодность для тех или иных целей, правильно согласовать их с усилительным устройством, а также сравнивать различные модели наушников.

Рассмотрим основные характеристики наушников более подробно. Частотная характеристика чувствительности наушников по звуковому давлению -- зависимость от частоты звукового давления, развиваемого наушником в полости прибора «искусственное ухо», при постоянном напряжении на зажимах наушника. Для оценки частотных свойств наушников используют понятие диапазона эффективно воспроизводимых частот. Это диапазон частот, в котором частотная характеристика звукового давления не опускается ниже значения, оговоренного в технической документации (обычно 10 дБ по отношению к значению, усредненному в октавной полосе частот в области максимальной чувствительности). Лучшие модели современных стереонаушников имеют диапазон эффективно воспроизводимых частот 10-40000 и более Гц т.е. даже шире диапазона частот, воспринимаемых человеком с нормальным слухом.

Неравномерность частотной характеристики -- отношение максимального звукового давления к минимальному в рабочем диапазоне частот, выраженное в децибелах: Р = 20 lg(Р_MАKC/Р_MHH). Неравномерность частотной характеристики большинства современных наушников обычно составляет 10-15 дБ, лучших -- 3-5 дБ.

Чувствительность наушников -- отношение звукового давления, развиваемого в полости «искусственного уха», к напряжению на его зажимах; единица чувствительности -- паскаль на вольт (Па/В). Для удобства сравнения между собой различных наушников определяется так называемое стандартное звуковое давление. Это давление, развиваемое наушником в полости прибора «искусственное ухо» при подведении к нему напряжения, соответствующего мощности 1 мВт, на частоте 1000 Гц. Стандартное давление измеряется в паскалях (1 Па = 1 Н/м²) или в децибелах (дБ) относительно 2 ¦ 10 ^-5 Па (порог слышимости). Например, звуковому давлению 2 Па соответствует 100 дБ.

Среднее стандартное звуковое давление определяется как среднеквадратичное из значений стандартного звукового давления, измеренного для ряда частот, установленного техническими условиями.

Коэффициент нелинейных искажений -- выраженное в процентах отношение среднеквадратичного значения звуковых давлений высших гармоник к звуковому давлению первой гармоники при подведении синусоидального сигнала. Обычно коэффициент нелинейных искажений определяют в полости - «искусственного уха» при напряжении, соответствующем среднему стандартному звуковому давлению на частотах, установленных техническими условиями. Значение коэффициента нелинейных искажений высококачественных наушников составляет 0,5-3 %.

Номинальная мощность -- электрическая мощность, подводимая к наушнику, при которой коэффициент нелинейных искажений не превышает установленную норму, а развиваемое звуковое давление достигает установленного техническими условиями значения.

Максимальная мощность -- наибольшее значение подводимой к наушнику электрической мощности, которое определяется тепловой и механической прочностью конструкции и характеризует устойчивость наушников к перегрузкам.

Номинальное электрическое сопротивление -- активное сопротивление, которым можно заменить наушник при измерении электрической мощности, потребляемой от источника.

Модуль полного электрического сопротивления -- отношение эффективного значения напряжения на входе наушника к эффективному значению протекающего в нем тока. По своему характеру является комплексным сопротивлением, имеющим активную и реактивную составляющие. Измеряется в Омах (Ом) на частоте 1000 Гц.

Классификация наушников

Основным элементом наушников является головка -- преобразователь электрических колебаний звуковой частоты в акустические, помещенный в корпус. Для плотного, но достаточно удобного прилегания к ушной раковине корпус имеет мягкую прокладку -- амбушюр, выполненный обычно из мягкой резины или поролона, обшитого кожзаменителем. Идеальным является амбушюр, наполненный жидкостью или газом, который мягко и пластично закрывает ушную раковину. Два корпуса объединены пружинящим оголовьем для удобного расположения наушников на голове. Оголовье обеспечивает оптимальный прижим наушников к ушной раковине и имеет механизм регулировки для различных размеров головы слушателя. У некоторых наушников на корпусе расположены регуляторы уровня громкости и тембра. К левому и правому наушнику подводится сигнал соответствующего канала стереофонического устройства. Наушники подключаются к усилительным устройствам с помощью трехпроводного гибкого шнура л стандартного разъема либо штекера и маркируются надписями «левый» и «правый» либо цветными метками: правый -- красный, левый -- белый, голубой. Миниатюрные наушники (обычно диаметром 10-20 мм), предназначенные для переносных аудиоустройств, снабжаются легким тонким соединительным проводом со штекером диаметром 3,5 мм. Такие наушники, как правило, не имеют оголовья и удерживаются в ушной раковине благодаря особой форме. Разновидностью миниатюрных наушников являются наушники-«пробки», имеющие мягкие пластмассовые наконечники -- ушные вкладыши. Они вставляются непосредственно в слуховой проход уха слушателя.

Наушники, используемые при работе с мультимедийными компьютерами, часто снабжаются микрофоном. Такая конструкция называется гарнитурой.

Наушники классифицируют по способу преобразовании электрических колебаний в акустические, по назначению, по акустическому оформлению (или условиям работы преобразователей).

По способу преобразования основными являются наушники электродинамической, электростатической, изодинамической, пьезоэлектрической и электретной систем.

Принцип действия электродинамического преобразователя электрического сигнала в акустический основан на эффекте взаимодействия поля постоянного магнита с магнитным полем, возникающим вокруг проводника звуковой катушки, по которому течет переменный ток звуковой частоты. Колебания звуковой катушки передаются жестко соединенной с ней диафрагме (или диффузору), которая вызывает колебания воздушной среды.

В преобразователях электростатической системы используется эффект взаимодействия тонкой диафрагмы с неподвижной пластиной в электростатическом поле. Переменное напряжение звуковой частоты подается на пластины, а для создания электростатического поля к пластинам прикладывается постоянное поляризующее напряжение.

В преобразователях изодинамической системы использован так называемый принцип равномерного перемещения. Легкая пленочная диафрагма с нанесенными электрогальваническим способом проводниками звуковой катушки помещена между полюсами плоской электромагнитной системы особой конструкции. Принцип действия похож на электростатический, но возбуждается здесь диафрагма электромагнитными силами.

В преобразователях пьезоэлектрической системы использован эффект электрострикции, т.е. изменения размеров некоторых материалов под действием электрического поля. Две одинаковые пластинки с нанесенными на их поверхности электропроводящими слоями, склеенные между собой, образуют биморфный пьезоэлемент. Подведенное к электродам такого элемента электрическое напряжение вызывает его изгиб. Если элемент соединить с диафрагмой и подвести переменное напряжение звуковой частоты, пьезоэлемент колеблется с частотой сигнала и раскачивает диафрагму, осуществляя преобразование электрического сигнала в акустический-

Электретные конденсаторные наушники в отличие от электростатических наушников не требуют напряжения поляризации.

По назначению различают наушники для домашних стереосистем, переносной звукотехники, для мультимедийных компьютеров, для профессионального использования (звукорежиссеры, студии звукозаписи, пилоты и пассажиры авиалайнеров и др.).

По акустическому оформлению различают наушники закрытого и открытого типов. Первые называют также преобразователями давления, вторые -- скоростными преобразователями.

Наушники закрытого типа, надетые на голову слушателя, образуют небольшой замкнутый объем воздуха, ограниченный слуховым каналом, барабанной перепонкой, ушной раковиной, диафрагмой преобразователя, корпусом и амбушюром. Закрытая полость является идеальной средой для распространения колебаний низких частот. Вот почему наушники закрытого типа превосходят в этом отношении другие. Частотная характеристика звукового давления таких наушников почти равномерная от самых низких частот звукового диапазона до первого резонанса системы (обычно 500-2000 Гц). Выше резонансной частоты наблюдается небольшой спад характеристики. На более высоких частотах, когда длина волны соизмерима с размерами полости, образуются стоячие волны. Закрытая полость усугубляет явление интерференции(отраженные колебания, накладываясь на прямые с различной фазой и амплитудой, создают пики и провалы). В частотной характеристике появляется неравномерность. Для уменьшения этого явления внутреннюю поверхность корпуса оклеивают звукопоглощающим материалом или заполняют им весь внутренний объем.

Наушники открытого типа работают иначе. Чтобы понять принцип их действия, проделаем следующий опыт. На рис.1,а изображена головка громкоговорителя, излучающая звук в свободное пространство. Если расположить микрофон в точке А (рис. 1,а) на расстоянии а, превышающем в несколько раз диаметр головки, и измерять звуковое давление, то можно заметить, что с уменьшением частоты, начиная приблизительно с 300 Гц, измерительный микрофон будет показывать все меньшее давление, и, наконец, на достаточно низких частотах оно приблизится к нулю. Это происходит вследствие эффекта, называемого акустическим коротким замыканием. Суть его состоит в следующем. При работе головки ее диффузор совершает колебания в соответствии с направлением тока, проходящего через звуковую катушку. Двигаясь вперед, диффузор сжимает воздух перед собой и разрежает позади себя. В результате этих сжатий и разрежений воздуха создаются звуковые волны, распространяющиеся со скоростью около 340 м/с. Однако звуковые волны от передней и задней сторон диффузора различаются по фазе на 180°. Если в точку А, где расположен микрофон, придут обе волны от передней и от тыльной сторон диффузора, то, накладываясь одна на другую, они взаимно уничтожатся и результирующее звуковое давление станет равным нулю. Такой эффект наблюдается на частотах ниже 300 Гц, где длина излучаемой волны значительно превышает диаметр диффузоров. Для более высоких звуковых частот воздействие волны от тыльной стороны диффузора ослабляется самим диффузором. Для исключения нежелательного ослабления звука на низких частотах головка обязательно должна иметь оформление в виде акустического экрана, закрытого или открытого ящика и т.п.

Теперь переместим микрофон в точку Б, расположенную в непосредственной близости от диффузора (рис. 1,6). При этом измерительный прибор будет показывать приблизительно одинаковое звуковое давление как на средних, так и на низких частотах. Это объясняется тем, что путь волны от передней стороны диффузора значительно короче, чем путь волны от тыльной стороны, и влияние волн, создаваемых тыльной стороной, будет незначительным.

Конечно, расположить слушателя в непосредственной близости от диффузора громкоговорителя не представляется возможным. Однако такие условия выполняются, если поместить диффузор небольшой головки-преобраэоаателя вблизи ушной раковины слушателя, что и сделано в наушниках открытого типа.

Рис. 1. К пояснению принципа работы наушников открытого типа.

Рис.2 Конструкция наушника открытого типа: 1. -диафрагма, 2-звуковая катушка, 3- магнитная система, 4- демпфирующий материал, 5- поролоновая прокладка.

Действительно, если расстояние Б меньше диаметра диффузора (см. рис. 1,6), то эффект ослабления низких частот незначителен. А если это так, то нет необходимости в искусственном ослаблении волн от тыльной стороны диффузора путем применения корпуса, специальных уплотняющих амбушюров, вызывающих кроме увеличения размеров и общей массы конструкции также и другие нежелательные эффекты. Так как расстояние до ушной раковины даже при небольшом диаметре диафрагмы (около 25 мм) меньше половины ее диаметра, то можно использовать диафрагму небольшого диаметра и, следовательно, более легкую, что позволяет получить хорошую частотную и переходную характеристики наушников такого типа. На рис. 2 показана одна из возможных конструкций наушников открытого типа.

Рассмотренные наушники закрытого и открытого типов имеют свои преимущества и недостатки. Наушники закрытого типа хорошо воспроизводят низкие частоты, но только при условии полной герметизации диафрагмы, что достигается при хорошем прижиме наушников к голове слушателя. Даже при незначительной утечке воздуха наблюдается резкое ослабление отдачи на низких частотах. Герметизация, кроме того, позволяет ослабить внешние шумы помещения; при этом работа наушников не беспокоит окружающих, находящихся поблизости.

Однако при наличии герметизации некоторые слушатели испытывают чувство раздражения, дискомфорта. Даже после сравнительно короткого периода работы с наушниками постоянное давление и недостаточный приток воздуха нарушают правильный теплообмен, создавая теплую и часто влажную среду, особенно в жаркие дни. Некоторые фирмы-изготовители, увлекаясь герметизацией, выпускают непомерно громоздкие конструкции. А во многих случаях размеры и масса наушников имеют определяющее значение, особенно при прослушивании в течение продолжительного периода времени,

Наушники открытого типа очень легкие и небольшие по габаритам, что, несомненно является их преимуществом. Существует мнение, что для достижения естественности звучании необходимо ощущение открытого пространства. Это обеспечивают наушники открытого типа. Но они недостаточно ослабляют посторонние шумы, что является их слабым местом.

Несмотря на отмеченные недостатки, наушники закрытого типа имеют лучшую частотную характеристику и потому получили большее распространение.

Электродинамические наушники

В высококачественных наушниках чаще всего применяют преобразователи электродинамической системы, аналогичные головкам громкоговорителей, но имеющие значительно меньшие размеры (рис. 3).

Звуковая катушка 1 намотана тонким проводом на цилиндрическом каркасе. Катушка располагается в зазоре магнитной системы 2 и жестко связана с диафрагмой 4, которая удерживается в требуемом положении центрирующей шайбой 3. По краям диафрагмы имеются гофры 5, позволяющие совершать колеблющейся диафрагме возвратно-поступательное движение. Выводы звуковой катушки выполнены гибким проводом 6. Все элементы конструкции смонтированы на каркасе 7. Головка помещается в пластмассовый корпус. Для плотного прилегания к ушной раковине корпус имеет амбушюр. На рис. 4 показан наушник простой конструкции в разрезе.

В более сложных и дорогих конструкциях применяют иногда двухполосную систему, т.е. две головки -- одну для воспроизведения низких частот, другую -- высоких. Головки располагают коаксиально. Для разделения частот используют LC-фильтры. В сложных моделях иногда имеются различные резонирующие полости, демпфирующие отверстии. На рис. 5показан разрез корпуса двухполосного наушника.

Рассмотрим теперь причины, позволяющие получить с помощью наушников высокое качество звучания, которое не всегда обеспечивают громкоговорители. Каждый, кто впервые пользуется стереонаушниками, поражается высоким качеством воспроизведения, особенно неожиданным является хорошее воспроизведение низких частот.

Проанализируем работу наушников закрытого типа с преобразователем электродинамической системы, получившим наибольшее распространение.При анализе и расчете различных электроакустических аппаратов широко используют метод электромеханико-акустических аналогий. Первоначально был разработан метод электромеханических аналогий, однако часто механические и акустические системы оказываются очень сложными, и исследование влияния отдельных элементов на поведение системы требует трудоемких расчетов.

Рис. 3. Конструкция электродинамической головки, применяемой в наушниках: 1 -- звуковая катушка; 2 -- магнитная система; 3-- центрирующая шайба; 4 -- диафрагма; 5 -- гофры; 6 -- выводы катушки; 7 -- каркас.

Рис.4. Конструкция простого наушника электродинамической системы: 1 -- головка; 2 --¦ корпус; 3 -- защитная решетка; 4 -- амбушюр; 5 -- звукопоглощающий материал; 6 -- выводы головки

Рис. 5. Конструкция двухполосного наушника: 1 -- высокочастотная головка; 2 -- низкочастотная головка; 3 -- разделительный фильтр; 4 -- регулятор громкости; 5 -- защитный кожух; 6 -- решетка; 7 -- отверстия; 8 -- амбушюр; 9 --- корпус

Электростатические наушники

Один из недостатков наушников электродинамической системы состоит в том, что диафрагма возбуждается движущей силой, приложенной в центре диафрагмы. Поэтому, изгибаясь, диафрагма может вносить искажения в звуковой сигнал (так как различные ее части смещаются не одновременно). Чтобы уменьшить это явление, необходимо увеличить жесткость диафрагмы. Но увеличение жесткости влечет за собой увеличение толщины материала, а значит, и его массы, ограничивая, таким образом, воспроизведение высоких частот и ухудшая переходную характеристику.

Для акустического преобразователя идеальным является случай, когда колеблющийся излучающий элемент возбуждается движущей силой, равномерно распределенной по всей поверхности. Тогда вся поверхность будет двигаться синфазно. Если удастся обеспечить такое возбуждение диафрагмы, то нет необходимости в повышении ее жесткости, и поэтому она может быть тонкой и легкой и, следовательно, способной хорошо воспроизводить высокие частоты и точнее передавать переходный процесс. Именно так устроены преобразователи электростатической системы.

Рис. 6 поясняет принцип работы дифференциального электростатического преобразователя наушников. Подвижная пластина Г, выполненная из тонкой (0,05-0,1 мм) высокополимерной пленки, имеющей металлизированное покрытие, расположена между двумя акустически прозрачными неподвижными металлическими пластинами 2. Для создания электростатического поля между подвижной пластиной и средней точкой вторичной обмотки согласующего трансформатора 3 подается поляризующее напряжение. Оно может, как подаваться от отдельного источника, так и создаваться путем выпрямления переменного звукового сигнала. Такая цепь 4 показана на рис. 6. Переменное напряжение (звуковой сигнал) подается на первичную обмотку согласующего трансформатора, необходимого для согласования низкого выходного сопротивления усилителя 5 с высоким сопротивлением электростатического преобразователя. С вторичной обмотки трансформатора сигнал поступает на пластины, создавая попеременно различные потенциалы подвижной пластины относительно неподвижных. В результате происходит притяжение и отталкивание подвижной пластины в соответствии с частотой и амплитудой звукового сигнала.

Рис. 6. К пояснению принципа действия дифференциального электростатического преобразователя наушников: 1 -- подвижная пластина; 2 -- неподвижные пластины; 3 -- согласующий трансформатор; 4 -- зарядная цепь; 5 -- усилитель НЧ

Такая система обеспечивает двухтактное действие. Сила взаимодействия прикладывается равномерно по всей поверхности пластин, поэтому подвижная диафрагма двигается подобно идеальному поршню, не создавая искажений, Благодаря незначительной массе резонанс давления, возникающий в электростатическом наушнике, находится на частоте около 2000 Гц. Ниже этой частоты частотная характеристика давления получается практически линейной. Незначительная масса диафрагмы обусловливает хорошую частотную характеристику в области высоких частот, а также хорошую переходную характеристику.

Рис. 7. Конструкция электростатического наушника: / -- акустический экран; 2 -- корпус; 3-- согласующий трансформатор; 4 -- внутренний объем; 5 -- демпфирующий блок; 6 -- решетка; 7 -- диафрагма; 8 -- амбушюр.

Левый канал Правый канал

Рис. 8 Схема включения электростатических наушников.

Схема включения электростатических наушников показана на рис. 8. Напряжение звуковой частоты на пластины стереонаушников подается через повышающие трансформаторы Т1 и Т2 от усилителей правого и левого каналов. Высокое постоянное напряжение поляризации, поступающее на электроды диафрагм, снимается с выпрямителя-утроителя, собранного на диодах VD1-VD3 с фильтром, образованным резистором R2 и конденсатором С4. Стабилизация осуществляется цепочкой из трех стабилитронов VD4-VD6. Высокоомные резисторы R3, R4 служат для ограничения тока в цепях диафрагм. Неоновые лампочки HL1 и HL2 применяются в качестве индикаторов уровня громкости.

Частотная характеристика современных моделей электростатических наушников охватывает диапазон звуковых частот от 10 до 40 000 Гц при неравномерности 5 дБ. Нелинейные искажения не превышают 0,2 %.

Высококачественное звучание, получаемое при использовании хороших электростатических наушников, проявляется очень убедительно. Электростатическая конструкция позволяет получить чистое и прозрачное звучание, которое недостижимо пока при использовании каких-либо других устройств. Однако электростатические наушники не получили широкого распространения из-за относительной сложности конструкции и высокой стоимости.

Изодинамические наушники

Существенным недостатком наушников электростатической системы является необходимость в согласующем элементе, вызванная высоким сопротивлением электростатической системы, а также в высоковольтном источнике напряжения поляризации. Указанные недостатки можно исключить, используя принцип «равномерного перемещения». Он применен в так называемой изодинамической системе (Isodinamic drive-unit), разработанной фирмой Rank Wharfedale Ltd. В преобразователе используется легкая пленочная диафрагма, как и в случав электростатической системы, но возбуждается она магнитными силами. Следует добавить, что эта идея была предложена еще в 1922 г., когда на такое устройство был получен патент. Однако, подобно некоторым другим изобретениям, устройство не получило применения вследствие отсутствия материалов, удовлетворяющих необходимым требованиям.

Современное состояние техники и уровень развития технологии сделали эти устройства реальными. Диафрагма изодинамической системы выполняется из тонкой пленки, на которую наносится медное покрытие. Часть металлизированной поверхности вытравливается, оставшееся покрытие образует проводники катушки. Масса диафрагмы составляет около 100 мг, что позволяет воспроизводить частоты вплоть до 25 кГц.

Изготовление магнитной системы вызывает определенные трудности. Достаточно сильное поле должно равномерно распределяться по всей поверхности диафрагмы, а также по обеим ее сторонам. Для повышения чувствительности обычно уменьшают расстояние между магнитами, но пространство не должно быть очень маленьким, чтобы не препятствовать прохождению звуковых волн, излучаемых диафрагмой. При движении диафрагма не должна перемещаться в область ослабленного поля, так как в противном случае будут иметь место амплитудные искажения.

Практическое решение проблемы заключается в изготовлении блока из магнитного материала, в котором пробивают отверстия по всей поверхности (рис.9). Магнитный блок состоит из анизотропных керамических частиц, связанных синтетической резиной. Блок намагничивается полосам - магнитами, полярность которых чередуется. Диафрагма устанавливается между двумя секциями жесткой рамы и точно фиксируется шпильками через отверстия сверху и снизу рамы. Магнитный блок фиксируется в раме теми же шпильками. Две крышки предохраняют магнитный блок от повреждения.

Изодинамическая система была использована фирмой Rank Whar-fedale Ltd в стереофонических наушниках, характеристики которых следующие: полное сопротивление 120 Ом, чувствительность ниже, чем у электродинамических наушников, но выше, чем у электростатических; коэффициент нелинейных искажений 0,1 % (по третьей гармонике) при звуковом давлении 120 дБ на частоте 1000 Гц; частотная характеристика от 35 Гц до 20 кГц (±3 дБ).

Благодаря применению изодинамической системы удалось достигнуть достаточно высокого качества звуковоспроизведения. Наушники воспроизводят широкий диапазон частот (20-20000 Гц) и имеют малое нелинейное искажение (около 1 %); разность уровней звукового давления между левым и правым наушником составляет не более 3 дБ в диапазоне наибольшей чувствительности слуха.

Рис.9 Конструкция изодинамического преобразователя: 1 -- жесткая пластина; 2 -- блок магнитной системы; 3-- пластиковая рама; 4 -- диафрагма

Рис. 10. Конструкция изодинамического преобразователя круглой формы: а -- магнитная система; б -- диафрагма.

Электрическое сопротивление 8 Ом. Масса наушников без соединительного кабеля около 400 г.

Беспроводные наушники

Некоторым неудобством при использовании наушников является соединительный провод, который «привязывает» слушателя к аппаратуре. Этого недостатка не имеют так называемые беспроводные наушники. Вначале появились беспроводные наушники, которые можно было использовать только для монофонического воспроизведения. Наушники принимают сигналы внутри пространства, ограниченного индуктивной петлей, подключаемой к выходу усилителя низкой частоты. Прием обеспечивается внутри жилой комнаты, класса или другого помещения. Индуктивную петлю прокладывают по периметру озвучиваемой площади на высоте около 1,5-2 м. Изменения магнитного поля внутри петли воспринимаются чувствительной катушкой, помещенной в корпусе наушников. Сигнал с катушки поступает на вход усилителя, нагруженного на наушники. Все элементы устройства, включая источник питания, размещаются в корпусе наушников. Устройство можно использовать в домашних условиях, а также для производственных целей, при проведении спортивных тренировок и соревнований, в классах для обучения иностранным языкам и т.д.

В дальнейшем были разработаны беспроводные наушники, обеспечившие полноценное стереофоническое воспроизведение звука от радиоприемника, телевизора, магнитофона, аудиокомплекса. Работа таких наушников осуществляется при помощи приемопередатчика, работающего в диапазоне инфракрасных волн либо в радиочастотном диапазоне с частотной модуляцией. В первом случае передатчиком служит блок светоизлучающих диодов, в качестве приемника используются фотодиоды. Приемник и передатчик содержат (как и обычные приемопередающие устройства) демодулятор, модулятор, усилители.

Рис. 11. Диаграмма направленности передатчика: а -- в горизонтальной плоскости; б -- в вертикальной плоскости

При поступлении звукового сигнала на входные гнезда передатчика, светодиодный излучатель автоматически переходит в режим передачи. С помощью регуляторов громкости аудиоаппаратуры устанавливают оптимальный для передатчика уровень звукового сигнала. Если звукозапись окончилась, либо звуковой сигнал по какой-либо причине прекратился, либо его уровень слишком мал, то приблизительно через 3 мин передатчик автоматически выключается и переходит в режим ожидания. При повторном поступлении нормального сигнала работа передатчика возобновляется.

Наушники надевают на голову и регулируют оголовье для наибольшего удобства. Включив питание наушников, устанавливают уровень громкости в левом и правом канале, достигая наиболее комфортного звучания. По окончании прослушивания выключают питание наушников и передатчика. Если же слушатель забыл выключить питание наушников, то приблизительно через 3 ч питание отключится автоматически и таким образом предотвратит разряд батарей.

Зона действия инфракрасных наушников находится в пределах 7 м от передатчика. На рис. 11 изображена диаграмма направленности передатчика в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Находясь в пределах зоны действия, слушатель может принимать программу сидя, стоя, лежа, повернувшись к передатчику боком, спиной и т.д.

К недостаткам инфракрасных наушников можно отнести неспособность инфракрасных волн проникать сквозь стены, затемненные стекла и другие препятствия. Поэтому наушники оказываются эффективными только в пределах «прямой видимости» передатчика.

Ниже приведены основные технические характеристики беспроводных инфракрасных наушников SONY MDR-IF31OK.

Система модуляции Частотная

Несущая частота Правый канал 2,8 МГц

Левый канал 2,3 МГц

Зона действия До 7 м

Диапазон воспроизводимых частот 18-22 000 Гц

Коэффициент нелинейных искажений Менее 1 % (1000 Гц)

Питание передатчика От сетевого адаптера 220/9 В

Питание приемника Батарейки 2х R6 (АА, 316)

Время непрерывной работы наушников 60-120 ч в зависимости от типа

от батареек элементов питания

Масса передатчика Около 130 г

Масса наушников Около 170 г с батарейками

Существенно большим радиусом действия по сравнению с инфракрасными наушниками обладают беспроводные радионаушники. По данным изготовителей они эффективны в пределах 100 м от передатчика. Данные обычно приводятся для открытого пространства. В здании зона эффективной работы наушников меньше, но она достаточна для того, чтобы слушатель имел возможность наслаждаться музыкой в пределах большой городской квартиры либо загородного дома, находясь на значительном расстоянии от аудиоаппаратуры.

Принцип действия радионаушников следует из самого названия. Обычно они работают в диапазоне частот 434,863 либо 925 МГц с частотной модуляцией сигнала. Несущая частота передатчиков большинства выпускаемых моделей стандартизована. Поэтому радионаушники почти всех фирм совместимы и при необходимости слушатель имеет возможность использовать передатчик и наушники-приемник различных моделей. Многие радионаушники имеют два или три частотных канала. Это позволяет в пределах зоны действия передатчика использовать независимо два комплекта наушников или более. Например, один член семьи смотрит телевизор, другой слушает музыку, а третий играет в компьютерные игры.

Настройка приемника на частоту передатчика осуществляется либо вручную либо автоматически. В последнем случае настройка оказывается более точной, что важно для уменьшения помех и улучшения качества звуковоспроизведения. Радионаушники имеют систему автоматической регулировки усиления (АРУ), которая компенсирует изменения уровня входного сигнала, поступающего на передатчик от различных источников звука. Входные гнезда--универсальные, позволяющие подключать любые существующие источники звукового сигнала. При появлении входного сигнала передатчик включается автоматически и выключается при отсутствии сигнала.

Некоторые модели беспроводных наушников имеют встроенные звуковые процессоры. Назначение их различно. Так, например, система восстановления окружающего звука SRS (Sound Retrieval System) служит для изменения характера звучания наушников. Система SRS может изменять как частотный баланс звучания, так и звуковую картину в целом.

Другая система, процессор IVA (Individual Virtual Acoustics -- индивидуальная виртуальная акустика), имеет четыре режима работы. Это позволяет в зависимости от подаваемого на вход сигнала моделировать звучание от двух до восьми громкоговорителей. Так, в режиме Dolby Surround Pro Logic декодер выделяет из стереосигнала два дополнительных канала: центральный и окружающего звука. Декодер Logic 7 корректирует записи, сделанные в различных форматах (моно, стерео, Dolby Surround), таким образом, чтобы качество воспроизведения через наушники было оптимальным. Системы обработки звука постоянно совершенствуются и поступают на рынок под различными торговыми марками.

В качестве источников питания для радионаушников используют никель-кадмиевые либо более совершенные никель-металлгидридные аккумуляторы. Время работы наушников при полностью заряженных аккумуляторах составляет 10-25 ч. Аккумуляторы заряжаются от встроенного в передатчик зарядного устройства при помощи прилагаемого кабеля. В более совершенных моделях зарядка осуществляется через подставку для наушников, одновременно являющуюся и передатчиком. для наушников. Наушники электродинамической системы достаточно легкие, имеют красивый внешний вид, удобное оголовье и амбушюры из искусственного бархата. Источником питания служат два никель-металл гидридных аккумулятора (размером ААА). Настройка на частоту передатчика автоматическая. Ниже приведены основные технические характеристики радионаушников К 405 AFC I! фирмы AKG.

Несущая частота передатчика 864 МГц

Система модуляции Частотная

Диапазон воспроизводимых частот 20-24 000 Гц

Коэффициент нелинейных искажений Менее 1 %

Максимальный уровень звукового давления 110 дБ

Питание передатчика От сети 220/12 В

Питание приемника 2 NiMh аккумулятора (ААА)

Время работы при полностью заряженных

аккумуляторах Около 20 ч

Масса наушников Около 230 г

Беспроводные инфракрасные и радионаушники имеют как преимущества, так и недостатки. Бесспорное преимущество беспроводных наушников перед обычными, подключенными к аудиоустройствам с помощью кабеля, -- свобода передвижения -- несколько омрачается более низким качеством звучания. Объясняется это наличием электронных схем и компонентов, вносящих дополнительные искажения и шумы.

Инфракрасные наушники обладают более высоким качеством звучания, приближающимся к лучшим образцам проводных наушников электродинамической системы. Вносимые ими искажении и шумы почти не ощущаются, однако радиус их действия относительно невелик Инфракрасные наушники хорошо работают только в зоне прямой видимости передатчика, а стены, перегородки, зеркала препятствуют прохождению инфракрасных волн.

Для радиочастот, на которых работают радионаушники, препятствий в жилых помещениях практически нет. Зона действии радионаушников в несколько раз больше, чем инфракрасных наушников. Однако они имеют существенный недостаток, свойственный радиопередающим устройствам, -- низкое отношение сигнал/шум. У большинства моделей радионаушников этот показатель едва достигает 60 дБ, почти как у кассетных магнитофонов. Поэтому знакомый слушателям «кассетный» шум слышен и в радионаушниках. Не спасают положение различные системы шумоподавления, которые хотя и несколько ослабляют шум, но в то же время сами вносят дополнительные искажения. Еще одно негативное свойство радионаушников проявляется как только слушатель начинает передвигаться вблизи металлических предметов либо электронной аппаратуры -- возникают интерференционные помехи. Кроме того, радионаушники критичны к месту расположений передатчика. Так, соседство передатчика с компьютером может вызвать помехи от работы клавиатуры или мыши.