Каталог :: Радиоэлектроника

Реферат: Воспроизводство звука

ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЗВУКА

Запись и воспроизведение звука – это область, в которой наука сочетается с искусством (звукорежиссера). Здесь есть две важные стороны: верность воспроизведения (как отсутствие нежелательных искажений) и пространственно-временная организация звучаний, поскольку задача воспроизведения звука электромеханическими средствами состоит не только в том, чтобы воссоздать звук, максимально приближенный к воспринимаемому в студии или концертном зале, но и в том, чтобы преобразовать его с учетом той акустической обстановки, в которой он будет прослушиваться.

В графическом представлении простейшую форму имеют звуковые колебания чистых тонов типа создаваемых камертоном. Им соответствуют синусоидальные кривые. Но большинство реальных звучаний имеет неправильную форму, которая однозначно характеризует звучание. Всякое звучание может быть разложено на чистые тона разных частот. Эти тона состоят из основного тона и обертонов (гармоник). Основным тоном (с низшей частотой) определяется высота ноты. По обертонам мы различаем музыкальные инструменты, даже когда на них берется одна и та же нота. Обертоны особенно важны тем, что они создают тембр инструмента и определяют характер его звучания. Диапазон основных тонов большинства источников звука довольно узок, благодаря чему можно легко понимать речь и улавливать мотив, даже если у воспроизводящей аппаратуры ограниченная частотная полоса. Полнота же звучания обеспечивается лишь при наличии всех обертонов, а для их воспроизведения необходимо, чтобы не искажались соотношения между уровнями основного тона и обертонов, т.е. частотная характеристика воспроизводящей системы должна быть линейной во всем диапазоне слышимых частот. Именно такую характеристику (наряду с отсутствием искажений) и имеют в виду, когда говорят о высокой точности звуковоспроизведения (системы hi-fi).

Динамические головки

Динамические головки Важнейшие элементы конструкции громкоговорителей остались неизменными с момента их изобретения в начале прошлого века. Современная электроакустика появилась на рынке с изобретением А. Г. Беллом и Т. Ватсоном телефона в 1876 году. И хотя с тех пор совершенствование электроакустических преобразователей (то есть громкоговорителей) было темой бесконечной череды научных изысканий и статей, значительно большей, чем посвященных любому другому элементу звукоусилительного тракта, кардинальных изменений практически нет. Первая заявка на патент на электродинамическую конструкцию с подвижной катушкой была подана в 1877 году, а на электродинамический громкоговоритель — в 1898 году. Однако практического применения эти изобретения тогда не получили — еще не было достаточно мощного источника, который позволил бы раскачать головку громкоговорителя с подвижной катушкой. Коммерческие модели появились только в 20-х годах, когда стали доступны ламповые усилители. В первых электродинамических громкоговорителях катушки были высокоомные, использовались тканая подвеска и электромагниты с питанием постоянным током. Некоторые историки техники указывают, что первой электродинамическую головку в максимальном приближении к ее современной конструкции запатентовала в 1925 году фирма General Electric. Внешне конструкции динамических головок для воспроизведения низких и высоких частот различаются, но содержат одни и те же компоненты. НЧ - головка имеет металлическую (реже пластиковую) раму, которую также называют корзиной за ее форму или диффузородержателем — это уже ее назначение. Окна диффузородержателя обеспечивают свободное движение воздуха у задней стороны диффузора. При отсутствии окон воздух мог бы воздействовать на подвижную систему как дополнительная акустическая нагрузка, уменьшая отдачу в области низких частот. Технология изготовления диффузородержателя определяется мощностью и размерами головки. Основное требование — обеспечение жесткой конструкции, свободной от вибраций, способных вызвать призвуки. С этой точки зрения лучше использовать литые конструкции из металлов или композитных материалов. На раме закрепляется конический диффузор, обычно изготавливаемый из бумаги (на самом деле — из измельченной древесины), чистого или с наполнителем пластика и реже — металла или керамики. К задней (более узкой) части конуса прикрепляется гильза (бумажная с пропиткой или металлическая), на которую наматывается звуковая катушка. Звуковая катушка наматывается обычно в два (реже — четыре) слоя медным или алюминиевым проводом в эмалевой изоляции на каркас (гильзу) и закрепляется на нем лаком. Обычно используется стандартный провод круглого сечения, но для очень мощных головок применяется провод с прямоугольным сечением, обеспечивающим почти 100-процентное заполнение зазора. При сборке подвижной части головки широко используются современные материалы. Например, для приклеивания каркаса звуковой катушки к керамическому или металлическому купольному диффузору используются полимерные клеи с ультрафиолетовым отверждением. Выводы катушки с помощью специальных очень гибких проводов подключаются к контактам на плате соединений. Диффузор фирмы B&W из тканого кевлара с пропиткой Несмотря на непрерывные исследования в области материаловедения, для большинства НЧ - и СЧ - головок, имеющих схожую конструкцию, но отличающихся размерами, используются конические диффузоры из бумажной массы. Кроме этого, используются такие материалы как полипропилен, бекстрен, а в последнее время и легкие металлы (алюминий, титан, магний). Фирмы с именем и историей, имеющие собственные исследовательские центры или заказывающие разработку, активно экспериментируют с различными наполнителями и композиционными материалами, создавая комбинированные диффузоры. Тут в качестве наиболее известного примера можно привести СЧ -головки B&W с диффузором из тканого кевлара с пропиткой. Алюминиево магниевый диффузор Monitor Audio Конусы с прямолинейной образующей использовались в низкочастотных головках только в самых первых головках. Жесткости такой конструкции не хватает на весь рабочий диапазон частот, и выше некоторой частоты излучение приобретает изгибной характер: реально работает только центральная его часть. Диффузор оказывается слишком тяжел и слишком мягок, чтобы точно следовать за перемещением катушки. Он просто не успевает полностью отклониться и вернуться, а изгибные колебания порождают призвуки и дополнительное окрашивание звука. Самый простой и древний способ борьбы с этим явлением — формирование в процессе изготовления на поверхности конуса серии концентрических канавок. В современных громкоговорителях используется целый комплекс мер для подавления параметрических резонансов. Во-первых, практически все диффузоры имеют криволинейную образующую. Во-вторых, все больше из них изготавливаются из материалов, эффективно гасящих продольные колебания и, кроме того, они имеют переменное сечение: у катушки оно больше, а у подвеса меньше. Конечно, все зависит от выбранного материала. Для бумажного диффузора подойдет специальная пропитка, а для слоистой или композитной структуры важно сочетание физико-механических свойств составляющих ее материалов. Поскольку диапазон воспроизводимых частот головки громкоговорителя определяется областью поршневого движения его диффузора, важно чтобы он был максимально жестким, но при этом еще имел бы и минимальную массу. Внешний подвес диффузора, который обеспечивает его поступательное движение при работе, может быть выполнен как единое целое с диффузором (в виде гофра с одной или несколькими канавками) или как автономное кольцо из резины, каучука, полиуретана и других материалов с аналогичными свойствами, которое затем приклеивается к внешнему краю диффузора. Подвес, особенно низкочастотной головки, должен обладать большой гибкостью: это обеспечивает низкую частоту собственного резонанса. Практически сразу ниже этой частоты эффективность головки резко падает, то есть собственный резонанс определяет границу воспроизведения басов. Второе основное требование к подвесу — упругие свойства должны сохранять линейность во всем диапазоне перемещений подвижной системы громкоговорителя. Достаточно долго высокочастотные головки имели такой же конический диффузор, только меньшего размера. Однако сегодня наиболее распространенным у ВЧ - головок является купольный диффузор. Он может быть мягкий (из текстиля, например шелка с пропиткой) или жесткий — из металла или керамики. Конструкция типичного ВЧ - динамика отличается не только размером диффузора. Обычно купольный диффузор с подвеской изготавливается как единое целое, к которому приклеивается гильза со звуковой катушкой. При этом в конструкции отсутствует гибкая центрирующая шайба. Магнитная система, как и диффузор, закрепляется на пластине переднего фланца. Купольные диффузоры, которые могут быть выпуклыми или реже вогнутыми, изготавливаются прессованием из натуральных или синтетических тканей с обязательной последующей пропиткой. Все большее распространение получают диффузоры ВЧ - головок из синтетических полимерных пленок или металлической фольги. Для повышения жесткости диффузоры изготавливают методом осаждений из паровой фазы различных материалов: бора, бериллия, золота и даже алмаза. Существуют многочисленные примеры купольных диффузоров из керамики, которая, по сути, является окислом металлов, например, алюминия. Центрирующая шайба — непременная часть НЧ - или СЧ - головки; ее задача обеспечить правильное положение гильзы со звуковой катушкой в воздушном зазоре магнитной системы. Требования к шайбе такие же, как и к подвесу — максимальная гибкость в осевом направлении и сохранение линейности во всем диапазоне перемещений, дополняются еще и требованием максимальной жесткости в радиальном направлении. Для повышения эффективности головки зазор должен быть минимальным, и малейшее смещение в радиальном направлении неминуемо приведет к заклиниванию звуковой катушки. На всем пути совершенствования головок центрирующая шайба изготавливалась из разных материалов (картона, бумаги, текстолита, ткани). Сегодня практически все головки имеют центрирующую шайбу с концентрическими канавками, прессованную из ткани с последующей пропиткой. Важнейший элемент конструкции и головки, который во многом определяет ее электроакустические характеристики, — это магнитная система. Она образуется кольцевым магнитом, расположенным между двумя кольцевыми фланцами и цилиндрическим керном, который образует с передним фланцем воздушный зазор. Конструкция магнитной системы с керновым магнитом, широко распространенная в середине прошлого века, ныне в головках, предназначенных для многополосных акустических систем, практически не используется. Магнитная система создает в зазоре постоянное магнитное поле. При подаче сигнала на катушку ее магнитное поле взаимодействует с полем магнитной системы, заставляя ее перемещаться в зависимости от направления тока вперед и назад и двигать прикрепленный к ней диффузор. Зазор должен быть как можно меньше: так повышается эффективность взаимодействия катушки и постоянного магнита. Магнитное поле системы с кольцевым магнитом не замыкается полностью в магнитопроводах. Эта конструкция имеет внешнее поле рассеяния, которое может влиять на другие устройства, например, кинескоп цветного телевизора. Поэтому в случае использования таких головок в акустических системах домашнего кинотеатра требуется дополнительный магнитный экран, представляющий собой стакан из магнитомягкого материала, которым закрывают снаружи всю магнитную систему. Форма полюсных наконечников (отверстия верхнего фланца) и керна определяет величину магнитной индукции в воздушном зазоре и равномерность распределения в нем магнитного потока. От размеров элементов магнитной системы и ширины воздушного зазора зависит степень нагрева звуковой катушки и, следовательно, ее термостойкость. Здесь сталкиваются противоречивые требования. Для улучшения вентиляции нужно увеличить зазор, но это снижает чувствительность головки и требует увеличения магнита. Тут появляется поле деятельности для поиска компромиссного инженерного решения. Поэтому, например, в мощных НЧ - головках диаметр катушки больше, и часто используются два кольцевых магнита. Как известно, для эффективной работы НЧ - головки необходимо, чтобы звуковые волны от передней и задней стороны диффузора были изолированы. Поэтому центральное отверстие конического диффузора закрывают колпачком, который из- за дополнительной функции называется пылезащитным. В некоторых конструкциях в центральном сердечнике магнитной системы делают отверстие, закрытое звукопоглотителем, а в качестве материала колпачка используют плотную ткань или нетканый материал с большим акустическим сопротивлением. Поршневое движение диффузора в широкой полосе частот возможно только при его идеальной жесткости. Для реальных диффузоров из-за возникновения продольных колебаний диффузора эффективная полоса существенно сужается. Заметим, что и для идеального диффузора полоса ограничена его физическими размерами, но уже по другой причине. Скорость звука в воздухе имеет конечное значение около 340 м/с при комнатной температуре. При некоторой частоте длина звуковой волны становится соизмерима с размером диффузора и даже меньше его. На практике это проявляется как сужение диаграммы направленности динамической головки с повышением частоты. То есть чем выше частота, тем ближе к оси головки должен находиться слушатель, чтобы услышать высокие частоты. Так для диффузора диаметром 10 дюймов (250 см) теоретическая максимальная частота, на которой диаграмма акустического излучения сжимается до узкого луча, равна 1335 Гц. Для наиболее часто используемого размера 8 дюймов (200 мм) она составит уже 2015 Гц, для головки с диффузором 5 дюймов (125 мм) — 3316 Гц, а для типичного твитера диаметром 1 дюйм (25 мм) — 13680 Гц. На низких и средних частотах конструкторы стараются не заставлять головки работать выше этих частот. Для ВЧ - головок приходится идти на технические хитрости. Как правило, перед диффузором устанавливается рассекатель той или иной формы, в зависимости от того, в какой плоскости необходимо расширить диаграмму направленности излучения. В нашем примере конструкции ВЧ - головки шестилучевой рассекатель обеспечивает оптимальное рассеивание, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. В СЧ -головках для расширения диаграммы также используют рассекатели в виде конусов со сложной образующей. Очень важным параметром динамического громкоговорителя является линейность его амплитудной характеристики. Это зависимость звукового давления от амплитуды колебания диффузора. В некотором диапазоне средних значений все работает нормально. Однако при малых значениях входного сигнала силы взаимодействия поля катушки и постоянного магнита не хватает на преодоление упругих сил подвеса. Это проявляется на слух как ухудшение воспроизведения низких частот при малых уровнях сигнала. При больших амплитудах катушка выходит за пределы поля магнита в зазоре, что резко увеличивает уровень нелинейных искажений. Амплитуда перемещения диффузора, в пределах которой амплитудная характеристика головки сохраняет линейность, очень небольшая. Для НЧ - головок она редко превышает 6 мм, а для ВЧ - головок — 0,3 мм. Благодаря столь малому ходу для улучшения теплопередачи в ВЧ - головках зазор магнитной системы заполняют магнитной жидкостью, которая представляет собой смесь силиконовой смазки и мельчайшего порошка ферромагнитного материала. Однако их применение ограничивает срок службы головки из-за значительного увеличения со временем вязкости смазки.

Головки звукоснимателей

(на примере Blue Point № 2)

“Sumiko Blue Point № 2” смонтирована в обычном пластмассовом корпусе, ее подвижная система оснащена прочным стандартным иглодержателем и надежно защищена от случайных механических повреждений. Корпус головки — одна из серьезнейших помех качеству звука. Вследствие блуждания и переотражения звуковых волн вблизи электромеханического преобразователя, в звуковом тракте господствуют раздражающие слух искажения, которые существенно превосходят электрическую нелинейность усилителей. Если изготавливать корпуса из мягких материалов с большими внутренними потерями — высоким фактором демпфирования,— то звучание потеряет детальность, станет вялым, как говорится, “замыленным”. В очень дорогих головках удается найти компромисс между качеством звука и материалом корпуса. Это либо сложная технология формовки вспененных компаундов, либо кропотливая ручная обработка специально отобранной древесины. В последние годы появилась тенденция к отказу от применения компенсатора скатывающей силы (antiskating). Без антискейтинга качество звучания может быть лучше, но при этом произойдет более быстрый и асимметричный износ иглы. Фирма “Sumiko” рекомендует компромисс: устанавливать антискейтинг на половину значения прижимной силы. Например, при прижимной силе 2 г, величина антискейтинга должна быть равна 1 г, а в крайнем случае не превышать 1,5 г. Tехнические параметры по данным производителя

Головки звукоснимателей Sumiko “Blue Point № 2” ($299)

Иглодержатель

Игла

Механоэлектрический преобразователь

Механический демпфер

Выходное напряжение

Разделение каналов на частоте 1 кГц

Разбаланс каналов на частоте 1 кГц

Внутренний импеданс

Рекомендуемый импеданс нагрузки

Диапазон воспроизводимых частот

Допустимый диапазон прижимной силы

Оптимальная прижимная сила

Динамическая податливость преобразователя

Масса головки

Стержень из бора продольной структуры

Эллиптическая, радиусы 0,0076 х 0,0177 мм

Подвижная катушка (МС)

Синтетическая резина

2,5 мВ

32 дБ

0,5 дБ

135 Ом

47 кОм

15–35000 Гц

1,6–2,0 г

1,8 г

15 х 10–6 см/дин

6,3 г

Воспроизведение звука с фонографических цилиндров Эдисона Институт проблем регистрации информации НАН Украины предложил и реализовал принципиально новый метод высококачественного воспроизведения звука с фонографических цилиндров Эдисона. Предложенный цифровой оптико-механический метод с интерферометрической схемой измерения позволяет обеспечить физическую сохранность восковых цилиндров и получить высококачественное воспроизведение звука. Одна из главных характерных особенностей разработанного и исследованного метода состоит в том, что профиль звуковой дорожки в цифровой форме снимается с цилиндра и вводится в компьютер и после соответствующей обработки преобразуется в звук. Такой метод имеет ряд преимуществ. Во-первых, запись профиля звуковой дорожки может быть выполнена при скоростях в 10-50 раз ниже, чем скорость звуковой записи. Значительное уменьшение скорости вращения цилиндра позволяет резко уменьшить динамическую нагрузку на поверхность цилиндра, что очень важно с точки зрения его сохранения. При уменьшении скорости вращения цилиндра до 3-6 оборотов в минуту динамическая нагрузка на поверхность цилиндра в системе воспроизведения может быть уменьшена в 300-500 раз по сравнению с пьезоэлектрическим методом. Во-вторых, метод позволяет значительно улучшить качество воспроизведения звука. Анализ процесса воспроизведения звука с цилиндров Эдисона показал, что один из основных шумов - шум, возникающий при контакте иглы звукоснимателя с частицами пыли и царапинами. Размер пылинок (3-10 мкм) и большинства царапин (5-10 мкм) намного меньше отпечатка звуковой волны на поверхности цилиндра. При взаимодействии иглы с пылинками и микротрещинами при традиционных методах считывания возникает импульсная шумовая помеха, имеющая широкий спектральный диапазон и трудноотделимая от полезного сигнала. Чтобы уменьшать шум, произведенный пылинками, трещинами и другими явными дефектами, предлагается профиль, снятый от поверхности звуковой дорожки, до преобразования его в звук аппроксимировать более гладкой кривой, исключая явные выбросы, связанные с пылью, трещинами и т. д. В-третьих, компьютерная обработка и преобразование профиля дорожки в звук исключают необходимость повторения процессов воспроизведения с целью выбора оптимальной скорости вращения, соответствующей той, на которой была выполнена запись. Это значительно уменьшает вероятность повреждения цилиндров при повторных воспроизведениях. Технической реализацией предложенного метода является цифровая оптико- механическая интерферометрическая система неразрушающего измерения профиля звуковой дорожки воскового цилиндра, обобщенная функциональная схема которой приведена на рис. 1. Система состоит из трех основных подсистем:
  • интерферометрической измерительной подсистемы;
  • подсистемы вращения воскового цилиндра;
  • подсистемы линейного осевого перемещения воскового цилиндра.
Рис. 1. Функциональная схема системы. Измерительный узел представляет собой лазерный интерферометр, в основу которого взята классическая схема Майкельсона (Рис.2.). Профиль звуковой дорожки цилиндра отслеживается при помощи зонда эллиптической формы. С зондом жестко связан оптический элемент измерительного плеча интерферометра (уголковый отражатель), перемещение которого, соответствующее профилю звуковой дорожки, измеряется с дискретностью не более 0,1 мкм и заносится в ЭВМ. Уголковый отражатель с зондом закреплен на одном конце рычага (тонарма). Другой конец тонарма связан с датчиком положения. Для получения звука производится вычисление скорости измерения профиля поверхности и его компьютерная запись. При помощи компьютера программировалась скорость воспроизведения, соответствующая скорости вращения при записи. Для большинства цилиндров неизвестна точная скорость вращения, при которой производилась запись. Компьютерная обработка после записи профиля поверхности позволяет выбрать оптимальную скорость воспроизведения при одном проходе звукоснимателя. С целью обеспечения стабильности и точности интерферометрической измерительной системы разработанная установка для воспроизведения звука с цилиндров Эдисона выполнена неподвижной. Съем профиля звуковой дорожки (сканирование цилиндра) осуществляется посредством синхронных вращений (система вращения) и осевого перемещения цилиндра относительно неподвижной интерферометрической системы (система позиционирования). Для минимизации внешних шумов перечисленные выше системы установлены на фундаменте массой 120 тонн. Приводы вращения и линейного перемещения выполнены аэростатическими, что позволило избежать шумов подшипников. Рис. 2. Оптическая схема интерферометра: 1 — лазер; 2, 3 — линзы; 4, 5, 13 — светочувствительный кубик; 6, 9 — пластинка λ /4; 7, 10 — уголковый отражатель; 8 — фонографический цилиндр; 11, 14, 15, 18, 19 — поляризационный фильтр; 12, 16, 20 — фотодетектор; 17 — призма; 21 — игла.

Обработка фонограмм, считанных с фонографических цилиндров Эдисона, происходит в 2 этапа: предварительная обработка сигнала аналоговыми методами и цифровая обработка путем применения сложных математических алгоритмов. В настоящее время переписано более 1000 цилиндров. После первичной цифровой обработки, которая включает в себя подбор оптимальной скорости воспроизведения звука, устранение дефектов в воспроизводимом сигнале, связанных с повреждением отдельных дорожек, нарушающих непрерывность звукового материала, полученный инструментальный звук был записан на компакт- диски. Общая длительность звучания этого материала составляет около 50 часов. Предложенный метод, обеспечивает неразрушающее воспроизведение звука, является уникальным и признан рядом зарубежных специалистов лучшим в мире. Список использованной литературы: 1) В.В. Петров, И.В. Косяк, Л.И. Егупова, Л.В. Бутенко Институт проблем регистрации информации НАН Украины, статья о воспроизведении звука с фонографических цилиндров Эдисона 2) Журнал Stereo&Video, Автор: Алексей Грудинин 3) www.stereo.ru 4) www.allacoustics.ru 5) Головки звукоснимателей, В. Зуев