Техника звукоусиления

• широкий  частотный диапазон, соответствующий  исходному источнику;

• высокий  максимальный уровень звука, чтобы  на расстоянии разница в

уровнях звука по сравнению с ближайшим основным громкоговорителем,

излучающим усиленный звука, была минимальной;

• широкий  угол излучения в сторону зрительного  зала и по возможности

отсутствие  частотной зависимости;

• высокое  затухание в обратном направлении  для исключения положительной

обратной  связи через микрофоны на сцене.

Поскольку практически  удовлетворить все эти требования одновременно невозможно, необходимо устанавливать приоритеты для каждого  конкретного случая. В настоящее  время на практике применяют громкоговорители, подобные тем, что используются в  группах основных громкоговорителей, но более компактные, поскольку нет  необходимости в излучении самых  низких частот (<100 Гц), несущественных для локализации. Громкоговорители для локализации/звукоусиления в  лекционном зале часто встраивают в  трибуну [4.28, 4.29].

 

ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ  ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА ОТКРЫТОМ ВОЗДУХЕ

Механическая  конструкция громкоговорителей, предназначенных  для систем, работающих на открытом воздухе, должна отвечать специальным  требованиям. Однако их акустические параметры  в основном определяются теми же условиями, что и у комнатных излучателей.

Корпуса должны быть прочными, защищены от внешних  воздействий — от влаги и сильного солнечного излучения. Их обычно изготовляют  из окрашенной листовой стали, алюминия, пластмассы, реже из дерева.

Особая проблема — не ухудшающая условия излучения  защита бумажного диффузора конических громкоговорителей. Защита главным  образом обеспечивается несколькими  слоями мелкоячеистой ткани, натягиваемой за покрытием, защищающим от механических повреждений (см. также [4.30]). Защитное покрытие, структура которого в большинстве случаев подобна аналогичному покрытию комнатных громкоговорителей, может состоять из металлического листа с перфорацией, имеющей прозрачность более 50%, проволочной сетки или решетки. Все они должны быть жестко закреплены, чтобы избежать шумов вибраций. Для этого часто используют обрезиненные зажимные скобы, а в ряде случаев дополнительные обрезиненные накладки.

Если диффузоры  изготовлены из пропитанной бумаги или пластмассы, допустим больший  уровень влажности.

При температурах ниже точки замерзания громкоговорители необходимо плавно доводить до рабочего уровня мощности с помощью излучения  низкочастотного тона.

Спад излучения  на высоких частотах, вызываемый покрытием  громкоговорителя, можно удерживать в допустимых пределах; его можно  также компенсировать электронной  коррекцией. Если излучатель покрыт толстым  слоем пористого материала, необходимо исключить повышение температуры  внутри корпуса под воздействием солнечных лучей на поверхность  излучения громкоговорителя, поскольку  это может блокировать подвижную  катушку из-за различных коэффициентов  температурного расширения катушки  и магнитной системы (в результате это изменяет величину воздушного зазора).

Рупорные  громкоговорители с компрессионной камерой, изготовленные из листового  металла или пластмассы, не требуют  дополнительной защиты от внешних воздействий  окружающей среды.

МИКРОФОНЫ

При использовании  в системах звукоусиления микрофонов необходимо учитывать ряд условий  в дополнение к обычным условиям записи. Чтобы избежать положительной  акустической обратной связи (завывания), располагать микрофон следует ближе  к источнику звука, и поэтому  часто приходится задействовать  гораздо больше микрофонов, чем при  обычной многоканальной записи. Кроме  того, условия "живой" передачи требуют  очень прочных микрофонов. Для  выполнения этих требований нужно знать  точные характеристики различных типов  микрофонов и способы их подключения....

 

ПАРАМЕТРЫ

Требования  к микрофонам заложены в европейские  и международные стандарты. Мы рассмотрим только те данные, которые важны  для техники звукоусиления и  необходимы для последующих расчетов, описанных в главе 5. Выходное напряжение микрофона, представляемое как функция  воздействующего звукового давления, называется чувствительностью микрофона...

...Номинальный  диапазон частот - диапазон частот, в котором определяют параметры  микрофона. Кроме уровня чувствительности, определяемого в свободном поле  под углом 0° к рабочей оси  микрофона, часто принимают во  внимание уровень прямого поля  для других направлений. Значения, измеряемые в диффузном поле, используют значительно реже.

Предельное  звуковое давление - наивысшее звуковое давление, при котором микрофон работает с допустимыми искажениями. Для  студийных микрофонов, обычно используемых с промышленными системами звукоусиления, в настоящее время допустимыми  считаются гармонические искажения 0,5% (реже 1%) на частоте 1 кГц. Конденсаторные микрофоны в этих условиях способны выдерживать уровни звукового давления 120...140 дБ.

Эффективное значение напряжения, создаваемое микрофоном без воздействия звукового поля или другого мешающего поля, называют напряжением внутреннего шума.

Псофометрическое  напряжение - это напряжение, создаваемое  при тех же условиях и определенное с помощью "весовой характеристики уха как фильтра" {псофометрическое взвешивание), заложенной в Рекомендации МККР 468-4 [4.31] или Рекомендации OIRT 71 [4.32] (с индикацией квазипиковых значений). Это обеспечивает определенную аппроксимацию субъективного восприятия.

Эквивалентная громкость - это напряжение, определяемое при тех же условиях с помощью  весовой кривой А в соответствии с публикацией МЭК 268-1 [4.33,4.34] и индикатора эффективных значений. Она менее точно, чем псофометрическое напряжение, соответствует условиям субъективной частотной компенсации.

Разность  между напряжением, указанным для  предельного звукового давления, и напряжением внутреннего шума определяет динамический диапазон микрофона. Вследствие того, что псофометрическое напряжение и эквивалентная громкость  определяются при помощи разных весовых  кривых, числовые значения этих показателей  у одного и того же объекта измерений  могут различаться до 12 дБ.

Зависимость напряжения на выходе микрофона от направления воздействия возбуждающего  звука называют эффектом направленности. Для описания этого эффекта используют следующие количественные параметры...

 

ПРИНЦИПЫ  ПРИЕМА

Принцип приема с помощью микрофона оказывает  значительное влияние на характеристики передачи и особенно на эффект направленности. Основные принципы приема, используемые в технике звукоусиления, рассмотрены  ниже.

 

МИКРОФОНЫ ДАВЛЕНИЯ

Если на выходе микрофона возникает напряжение, пропорциональное давлению, то характеристика направленности такого микрофона оказывается  сферической, так как давление - это  скалярный количественный параметр. На высоких частотах, когда длина  волны звука сравнима с размерами  диафрагмы, приходится учитывать эффект возрастания давления. Отражения  звука от диафрагмы увеличивают  перед ней звуковое давление по сравнению  с давлением в соседних областях. Поэтому чувствительность микрофона  при нормальном падении звуковых волн выше, чем в случае бокового или диффузного падения. Характеристика направленности соответствующим образом  изменяется, поэтому при нормальном падении звуковых волн в свободном  поле возникает подчеркивание высоких  частот (рис. 4.28). По этой причине такие  микрофоны часто оснащают средствами выравнивания давления, которые компенсируют подчеркивание высоких частот с  помощью электронной цепи. Однако у микрофонов с цепью коррекции  происходит спад высоких частот в  диффузном поле и при боковом  падении звуковых полн. На рис. 4.29 приводятся этот и другие методы коррекции высоких  и низких частот, используемых в  микрофонах.

Граничные микрофоны (см. раздел 4.2.4.3) используются для расширения области возрастания давления и устранения бокового падения звука, то есть для линеаризации частотной характеристики и увеличения чувствительности.

Микрофоны давления обычно применяют для регистрации  звука, приходящего из большого помещения, без существенной тембральной окраски. Они позволяют делать "прозрачные" записи и чисто воспроизводить низкие частоты.

Поскольку такие  микрофоны из-за сферической направленности не могут подавить звук, приходящий от громкоговорителей, они не часто  используются для звукоусиления.

 

МИКРОФОНЫ-ПРИЕМНИКИ  ГРАДИЕНТА ДАВЛЕНИЯ

Если для  воздействия на диафрагму используется градиент давления или скорость между  двумя точками, то получится микрофон-приемник градиента давления. Доступ к диафрагме  для падающих звуковых волн должен быть с обеих сторон, возможно, даже через акустическую цепь. Некоторые  микрофоны-приемники градиента давления имеют в своей конструкции  две каскадно установленные диафрагмы.

Различные характеристики направленности (кардиоидная, гиперкардиоидная, суперкардиоидная, двунаправленная или восьмерочная) могут быть получены с помощью различного соотношения давлений спереди и сзади микрофона (рис. 4.30). Предполагая наличие осевой симметрии, получим следующие коэффициенты направленности: кардиоида - 3; суперкардиоида - 3,7; гиперкардиоида - 4; двунаправленной характеристики ("восьмерка") - 3.

Часто не делают различий между гиперкардиоидной и суперкардиоидной характеристиками, но их необходимо различать, потому что у суперкардиоиды уменьшенный обратный лепесток и затухание в обратном направлении существенно большее, чем у гиперкардиоиды. Поэтому звук, приходящий сзади, суперкардиоидой подавляется более эффективно, чем гиперкардиоидой Благодаря направленной характеристике микрофоны-приемники градиента давления применяются наиболее часто, так как позволяют выбирать соответствующие характеристики направленности для эффективной минимизации потенциальной положительной обратной связи в системе звукоусиления.

Недостаток  всех микрофонов-приемников градиента  давления - их высокая чувствительность к воздушным потокам. На малом  расстоянии возникает подчеркивание  низких частот (эффект близости). Этот эффект иногда используют намеренно: например, вокалисты с его помощью придают  своему голосу "теплоту". Однако он всегда уменьшает разборчивость  речи. Рис. 4.31 показывает, как влияет эффект близости на частотную характеристику микрофона. Эффект уменьшается с  увеличением расстояния, на расстоянии более 1 м он совершенно пропадает. Чтобы  подавить подчеркивание низких частот, микрофоны-приемники градиента давления часто снабжают подключаемыми или  постоянно включенными электронными схемами коррекции. Чтобы избежать всплесков шума за счет воздушных  потоков, отверстие для доступа  к диафрагме прикрывают колпачками из пористого пластика специальной  формы. Такие устройства ветрозащиты  демпфируют воздушные потоки, оказывая сопротивление потоку, и при соответствующем  размере частично нейтрализуют завихрения.

 

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ МИКРОФОНЫ

Если необходим  больший эффект направленности, чем  тот, который достигается с помощью  микрофонов-приемников градиента давления, следует применять интерференционные  микрофоны. Сегодня наиболее часто  для этого используют остронаправленные  микрофоны - направленные трубочные  микрофоны [4.35]. Такой микрофон состоит  из капсюля-приемника градиента  давления, установленного на одном  конце трубки, имеющей прорези  или перфорацию. Отверстия этой трубки оказывают сопротивление потоку, возрастающее в сторону микрофонного капсюля. Благодаря данной конструкции  звуковые волны спереди приходят на диафрагму в фазе, а падающие сбоку по отношению к трубке гасятся (по крайней мере, частично). Достигаемый таким образом эффект направленности зависит от длины трубки. Направленные трубочные микрофоны используют, например, как микрофоны для слежения и записи звука с большого расстояния.

Микрофонные колонки, аналогичные громкоговорителям - звуковым колонкам, тоже можно считать  интерференционными микрофонами. Вследствие их больших размеров и высокого коэффициента направленного действия они находят  только специальное применение.

 

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ  МИКРОФОНЫ

Электростатическое  преобразование осуществляется с помощью  изменения расстояния между движущимся электродом (диафрагмой) и неподвижным  электродом (рис. 4.33). В конденсаторном микрофоне два электрода нагружены  через высокоомный резистор стабильным постоянным напряжением. Изменение расстояния между электродами приводит к изменению емкости. Напряжение нагрузки изменяется пропорционально изменению емкости и снимается через высокоомный резистор. Это напряжение подается в микрофонную линию через согласующий предусилитель.

Высокая резонансная  частота диафрагмы (основной резонанс системы лежит выше диапазона  передаваемых частот) обусловливает  хорошие передаточные характеристики электростатических микрофонов.

Создание  полевого транзистора позволило  отказаться от напряжения накала для  электронных ламп предусилителя и подавать напряжение, требуемое для заряда электродов, по фантомной цепи электропитания или непосредственно по сигнальному кабелю (рис. 4.34). Электропитание непосредственно по сигнальному кабелю требует применения определенного типа микрофона, поскольку сигнальный кабель становится токонесущим. Фантомные цепи могут использоваться для разных типов микрофонов, например, динамических, так как сигнальный кабель не несет электрического потенциала.

В настоящее  время по фантомной цепи обычно подается напряжение 48 В; в редких случаях все еще используют 12 В. Применяемые источники питания способны коммутировать подаваемое напряжение автоматически, в зависимости   от   сопротивления   подключенного   микрофона.   Если конденсаторный микрофон содержит две диафрагмы, по одной с каждой стороны неподвижного электрода (рис. 4.33с), можно изменять характеристику направленности, прикладывая различные напряжения поляризации.

В электретном  микрофоне поляризация электродов достигается иначе, чем в конденсаторном, а именно - за счет использования  электретного эффекта материала  диафрагмы. По этой причине никакого напряжения поляризации не требуется [4.36], нужно лишь напряжение для питания последующего согласующего усилителя. Если ожидается небольшой динамический диапазон, например, при использовании микрофонов в системе конференц-связи исключительно для передачи речи, для работы согласующего (микрофонного) усилителя, достаточно напряжение питания 1,5 В.

Недавно электретные  микрофоны начали применять и  для студийных целей, это позволило  создать сравнительно простую и  миниатюрную конструкцию. Однако вследствие большого динамического диапазона  передаваемых сигналов в этом случае требуется более высокое напряжение питания. Затраты на изготовление электретных  микрофонов сравнимы с аналогичными затратами для обычных конденсаторных микрофонов.