4.1. Громкоговорители

Громкоговорители разделяют по типу конструкции электромеханического преобразователя (головки) на электродинамические, электростатические и пьезоэлектрические. В технике звукоусиления применяются почти исключительно электродинамические громкоговорители. (Кроме пьезоэлектрических высокочастотных систем, которые используются главным образом для громкоговорителей в музыкальной электронике). Следующие разделы посвящены динамическим громкоговорителям, наиболее часто применяющимся в технике звукоусиления.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ

На рис. изображены основные элементы конструкции динамического громкоговорителя: звукоизлучающий диффузор, подвижная катушка на цилиндрическом каркасе и постоянный магнит. Фронтальное крепление диффузора, достаточно жесткое для низких частот, называют также краевым подвесом или круговым гофром. В месте соединения с сердечником подвижной катушки диффузор центрируется с помощью центрирующей шайбы. Чтобы диффузор двигался свободно, эти фиксирующие элементы изготавливают из эластичного материала, который помимо жесткости обеспечивает необходимое демпфирование.

Катушка, по которой протекает электрический ток и которая движется в магнитном поле, имеет размеры, определяемые механическими, электрическими и температурными условиями. Практическое значение здесь имеют теплоотвод и термостойкий клей, который используется для соединения катушки и сердечника, испытывающих большое механическое напряжение...

ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ

Электроакустическая трансформация, осуществляемая громкоговорителем, определяется различными факторами.

Номинальная мощность Рп — допустимая электрическая мощность, устанавливаемая производителем громкоговорителя на основе конструктивных характеристик. Чтобы определить ее, необходимо провести испытание на долговечность с использованием специального шумового сигнала [4.2, 4.3]. Испытательный сигнал либо включают на 1 мин и выключают на 2 мин, повторяя данный цикл в течение 300 ч, либо подают постоянно в течение 100 ч. В испытании необходимо использовать лимитер, чтобы не искажались случайные всплески испытательного сигнала.

Спектральная огибающая испытательного сигнала первоначально была определена на основе статистики амплитуд обычного программного материала. Однако все более широкое использование электронных инструментов и передача сигналов от инструментов, близко расположенных к микрофону, выявили увеличение процента высокочастотных составляющих в спектре программ. В связи с этим в начале 1980-х гг. испытательный сигнал был несколько изменен и получил больший подъем спектра в области высоких частот. После появления в 1982 г. публикации МЭК 268-1С (2-е издание) это изменение было внесено в новые стандарты (рис. 4.4). Необходимо помнить, что при использовании указанных испытательных сигналов создается впечатление, будто ВЧ-громкоговорители обладают значительно большей номинальной мощностью, чем это допускается при использовании синусоидального сигнала...

ХАРАКТЕРИСТИКИ НАПРАВЛЕННОСТИ

Все громкоговорители имеют более или менее выраженную направленность, которая почти во всех случаях зависит от частоты. Эта угловая зависимость излучения звука характеризуется тремя количественными величинами, на которых следует остановиться подробнее.

Коэффициент направленности Г для определенной частоты или полосы частот — это отношение между звуковым давлением р для излучения под углом...

ЧАСТОТНЫЙ ДИАПАЗОН ПЕРЕДАЧИ

В соответствии со стандартом МЭК 268-5 [4.1] диапазон передачи громкоговорителя — это полоса частот, которая может быть использована для передачи звука. Она обычно характеризуется областью передаточной кривой, в которой уровень, измеренный на опорной оси в свободном поле, не снижается более чем на 10 дБ относительно определенного опорного уровня; в любом случае он не должен выходить из поля допуска. Это опорное значение является усредненным в полосе одной октавы, в области наивысшей чувствительности (или в более широкой полосе частот, указанной производителем). При определении верхнего и нижнего пределов передаваемого диапазона частот пики и провалы не учитываются, если они лежат в интервале менее 1/9 октавы (одной трети треть-октавной полосы). Для определения частотного диапазона наряду с синусоидальным сигналом используется розовый шум. В последнее время применяются импульсные измерительные методы для получения комплексной характеристики передачи, несущей информацию не только об амплитуде, но и о фазе.

Необходимо, чтобы диапазон передачи громкоговорителей быть определен перед использованием громкоговорителей в системах звукоусиления. У громкоговорителей, предназначенных для применения в помещении, необходимо учитывать коэффициент осевой концентрации, то есть влияние компоненты диффузного поля на формирование результирующего звукового давления.

У громкоговорителей специального назначения, таких как студийные мониторы, указываются более узкие допуски на частотную характеристику. Так, в рекомендации OIRT 55/1 [4.7] в диапазоне от 100 Гц до 8 кГц допускается максимальное отклонение ±4 дБ от среднего значения, а на более низких частотах (до 50 Гц) и более высоких (до 16 кГц) поле допуска расширяется до — 8 и +4 дБ.

ТИПЫ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

Различные задачи техники звукоусиления решаются с помощью разных типов излучателей, различаемых по размерам и форме корпусов, форме звукопровода и типам используемой системы возбуждения, а также по размещению и комбинации всех этих компонентов. Такое разнообразие излучателей позволяет получить самые разные характеристики направленности излучения звука, концентрации звука, чувствительности, частотных диапазонов и размеров.

ОДИНОЧНЫЕ ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ БЕЗ ЯВНОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ

Среди простейших излучателей можно выделить одиночные громкоговорители малых размеров и мощности, используемые в децентрализованных информационных системах при озвучивании больших плоских помещений или для создания различных звуковых эффектов в залах универсального назначения. Встраивание этих громкоговорителей в стену или корпус исключает «акустическое короткое замыкание», возникающее при сложении излучений передней и задней сторонами диффузора. Для этой же цели можно использовать плоский экран, открытый или закрытый корпус (рис. 4.11).

При использовании плоского экрана минимальное расстояние от центра громкоговорителя до ближайшего края экрана должно составлять не менее 1/8 длины волны.

В закрытом корпусе колеблющаяся (движущаяся) часть громкоговорителя работает против сравнительно жесткой воздушной подушки корпуса, что существенно уменьшает, по сравнению с громкоговорителем без корпуса, гибкость системы громкоговоритель-корпус (см. рис. 4.2). Поэтому громкоговорители для компактных корпусов снабжают особенно мягкой подвеской диффузора, из-за чего их затруднительно использовать для других целей. Уменьшение гибкости объема воздуха внутри корпуса влияет не только на основной резонанс, но и на эффективность громкоговорителя в диапазоне низких частот.

Громкоговорители в корпусах с фазоинвертором сейчас редко используют в качестве децентрализованных широкополосных излучателей, чаще — для больших групп громкоговорителей высокой мощности. Такие громкоговорители будут подробно рассмотрены в следующем разделе.

В громкоговорителях, которые должны применяться для децентрализованного распределения звука, используют конические диффузоры диаметром 100...200 мм. У меньших диффузоров значительно уменьшенная номинальная чувствительность, а большие характеризуются направленностью в области высоких частот, которая нежелательна для этих целей. Поэтому громкоговорители с большим диаметром диффузора снабжаются

дополнительными устройствами рассеяния (диффузерами), устанавливаемыми перед центром основного диффузора. По этой же причине купольные диафрагмы ВЧ-громкоговорителей более пригодны для излучения высоких частот, чем ВЧ-конусы.

Важным достоинством громкоговорителей, предназначенных главным образом для использования в больших распределенных системах, является то, что у них приемлемая цена и они легко устанавливаются.

ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ С ФАЗОИНВЕРТОРОМ

Чтобы улучшить излучение звука громкоговорителями в акустическом оформлении на нижней границе диапазона передачи, в начале 1950-х годов были разработаны корпуса с фазоинвертором [4.8]. Они представляют собой резонаторы Гельмгольца с гибкостью воздуха, в корпусе и массой воздуха, в отверстии и перед ним...

ГРУППЫ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ С ЛИНЕЙНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ (ЛИНЕЙКИ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ, ЗВУКОВЫЕ КОЛОНКИ, ЛИНЕЙНЫЕ ГРУППЫ)

КЛАССИЧЕСКИЕ ЗВУКОВЫЕ КОЛОНКИ

Для решения многих задач звукоусиления требуются излучатели, способные создавать высокий уровень звука на большом расстоянии от места их установки...

Недостатки линейного расположения громкоговорителей:

• требуемый эффект направленности обеспечивается только ниже

критической частоты, а выше этой частоты возникают дополнительные

вторичные максимумы;

• направленность является частотно-зависимой [4.15];

• увеличение направленности возникает не только в «области

направленности», но также, с учетом расстояния до отдельных

громкоговорителей, в «области рассеяния». При этом эффект

направленности колонки на высоких частотах теряется.

Частотно-зависимые характеристики колонки (или линейного источника) могут привести к изменению тембра звучания при перемещении по ширине и глубине аудитории. Для устранения или уменьшения этого недостатка форму линейки громкоговорителей несколько изменяют, улучшая таким образом характеристики в области высоких частот. Это может быть достигнуто с помощью либо физического изгиба колонки «в форме банана», либо сдвига элементов колонки до 10° вправо и влево (рис. 4.15). В обоих случаях колонка работает по всей длине в области низких частот, а на более высоких частотах эффект интерференции снижается.

Недавнее предложение уменьшить частотную зависимость направленности излучения звуковых линеек и колонок заключается в подаче на отдельные громкоговорители звукового сигнала с различными фазами и уровнями. По данным Мёзера [4.21], это позволяет в значительной степени устранить частотную зависимость направленности излучения и получить частотно-независимый спектр мощности (рис. 4.16). Однако при этом эффективность колонки или звуковой линейки в области низких частот существенно снижается.

Такое управление фазой и уровнями было разработано компанией Philips для больших групп громкоговорителей. Компания внедрила в практику различные распределения Бесселя для уровней и фаз, которые создают определенные характеристики направленности групп громкоговорителей без образования на диаграммах дополнительных лепестков.

Такие распределения Бесселя в настоящее время используются для мощных, централизованных групп громкоговорителей, устанавливаемых на концертах поп- и рок-музыки, чтобы достичь оптимального покрытия в залах разного размера.

Для уменьшения нежелательных высокочастотных боковых лепестков и потенциального рассеяния звука в широкополосные линейки громкоговорителей, в частности, вводят дополнительные ВЧ-громкоговорители, помещаемые в основном в центр звуковой колонки. Это еще один способ расчленения линейки.

Чтобы получить эффект направленности и в диапазоне частот ниже номинальной эффективности звуковой колонки, группы громкоговорителей часто конструируют как излучатели градиента давления. Корпуса снабжают одним или несколькими задними отверстиями, обладающими определенным акустическим сопротивлением и работающими как фазосдвигающие элементы. Таким образом, создается гашение заднего сигнала и формируется кардиоидная диаграмма направленности [4.22]. При увеличении заднего отверстия возможно также получить двунаправленную диаграмму (в форме восьмерки) (рис. 4.17). Однако для улучшения излучения высоких частот необходимо устанавливать сзади дополнительные ВЧ-громкоговорители.

Не всегда оказывается возможным оптимально установить линейки громкоговорителей перед аудиторией. В связи с этим была разработана звуковая колонка с электронными линиями задержки между отдельными возбудителями [4.23]; виртуальный поворот линейки громкоговорителей достигается соответствующим выбором приращений времени задержки. Необходимо наклонять отдельные громкоговорители на продольной оси линейки, чтобы поддерживать основное направление излучения линейки и минимизировать изменения тембра, которые иначе бы возникли (рис. 4.18). Требуемое время задержки зависит от расстояния между отдельными системами и от желаемого поворота виртуальной линейки.

ЛИНЕЙНЫЕ ГРУППЫ

Современные линейные группы громкоговорителей состоят не из отдельных конусных громкоговорителей, а из линейно расположенных волноводов длиной 1, которые создают так называемый когерентный волновой фронт. В отличие от традиционных звуковых колонок, эти группы излучают в ближней зоне так называемые цилиндрические волны. Эта ближняя зона является частотно-зависимой, и ее формирование справедливо для следующих расстояний...

ЛИНЕЙНЫЕ ГРУППЫ С ЦИФРОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Метод уменьшения частотной зависимости характеристик направленности и направленности звуковых линеек (на рис. 4.14d 1-3 показано вредное действие направленности в трехмерном представлении) состоит в подаче на отдельные громкоговорители, составляющие группу, звуковых сигналов с разными фазами и уровнями.

Фирма DURAN Audio была одним из первых производителей, уменьшивших длину линеек громкоговорителей INTELLIVOX с одновременным расширением частотной характеристики с помощью электронных средств. Так появилось DDC (Digital Directivity Control — «Цифровое управление направленностью»), которое позволило создавать линейки громкоговорителей с выраженной направленностью по вертикали и концентрацией постоянной звуковой мощности по горизонтали

Решение DDC имеет следующие характеристики. Неизменный уровень звукового давления при изменении расстояния...

РУПОРНЫЕ ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ

Еще один способ достижения желаемой диаграммы направленности — создание звукопроводящих поверхностей перед головкой громкоговорителя. Поскольку такие устройства имеют конструкцию, подобную рупору, их называют рупорными громкоговорителями. Рупорная конструкция влияет не только на направленность излучения, но и обеспечивает лучшую адаптацию головки громкоговорителя к волновому сопротивлению воздуха, что в результате повышает эффективность. Одновременно за счет большей направленности увеличивается характеристическая чувствительность (см. табл. 4.1). Благодаря высокой характеристической чувствительности и направленности излучения эта конструкция громкоговорителя пригодна для звукоусиления в больших помещениях, где почти всегда требуются различные типы громкоговорителей.

Искажения, определяемые конструкцией, можно рассматривать как недостаток. Для адаптации драйвера (камеры давления) к окружающим условиям часто необходимо идти на компромисс в отношении размеров, создавая оптимальную конструкцию рупора. В результате появляются вредные резонансы, которые особенно проявляются в НЧ-рупорах. А в области сопряжения камеры давления и рупора ВЧ-систем с высокой нагрузкой возникают воздушные потоки, превышающие скорость звука, которые создают нелинейные искажения. Не менее важно и то, что особенно в диапазоне низких частот на систему драйвера могут оказывать влияние отражения от поверхностей помещения с системой звукоусиления, попадающие внутрь рупора. Это связано с высокой направленностью, определяемой конструктивной формой рупора.

Оптимальный рупорный громкоговоритель требует широкополосной головки и формы рупора, пригодной для воспроизведения всего требуемого диапазона частот. У таких рупоров могут быть различные формы; соответствующие рекомендации можно найти в литературе [4.5]. Для сведения к минимуму отражений от выходного отверстия (раструба) рупор должен плавно сопрягаться с окружающим пространством. Это может быть достигнуто, например, при выборе экспоненциальной формы рупора. Чтобы такие рупоры работали и на низких частотах, они должны быть очень большого размера. Например, для нижней граничной частоты 50 Гц рупор соответствующей формы должен иметь диаметр раструба 2 м. Излучатели подобных размеров приемлемы только для ограниченного применения, например, при расположении громкоговорителя в кинотеатре за проекционным экраном.

Длина рупора тоже зависит от требуемой направленности и излучаемой частоты. Длину можно уменьшить, если использовать сравнительно большую возбуждающую поверхность (которая, однако, может быть оптимизирована только для узкой полосы частот) или «сложенный рупор». Рупор должен быть как можно более жестким и иметь высокое акустическое затухание. Поскольку это не может быть реализовано, в частности, для низких и средних частот, стенки рупора, по крайней мере, не должны иметь явных собственных резонансов. Кроме того, они должны обладать высоким внутренним демпфированием, чтобы обеспечить высокую линейность характеристики передачи.

НИЗКОЧАСТОТНЫЕ РУПОРЫ

Большие размеры НЧ-рупоров вынуждают их создателей идти на компромиссы. Практические модели НЧ-рупоров имеют форму рупора только в одном направлении; под прямыми углами к этому направлению звук направляется параллельными поверхностями. Рупор может быть образован в вертикальном или горизонтальном направлении, как показывают два примера на рис. 4.19. На этом же рисунке представлены два варианта размещения громкоговорителя перед рупором. Рупор, изображенный на рис. 4.19а, возбуждается задней стороной громкоговорителя, а передняя часть громкоговорителя используется для прямого излучения. Поэтому этот рупор должен иметь такие размеры, чтобы обеспечивался поворот фазы на 180°, в противном случае возникнет акустическое короткое замыкание. Этот тип конструкции называют передающим рупором, с достаточным приближением он может быть реализован только для ограниченного диапазона частот. На рис. 4.19Ь изображен «сложенный рупор», у которого может быть приемлемая компактная форма. Головки НЧ-рупоров обычно представляют собой большие громкоговорители с коническим диффузором, в некоторых конструкциях помещаемые в корпуса с фазоинвертором. Компромиссы при конструировании таких НЧ-рупоров и особенности используемых головок ограничивают возможность их применения: они могут работать только в узком диапазоне частот ниже примерно 300 Гц. Но даже в этом случае их использование допустимо только потому, что на этих частотах ухо человека не очень хорошо распознает тембр [4.24].

Мощность таких НЧ-рупоров, используемых главным образом для звукоусиления музыки, около 100-500 Вт.

СРЕДНЕЧАСТОТНЫЕ РУПОРЫ

Для среднего диапазона частот (примерно от 300 Гц до 3 кГц) существует большое разнообразие головок и конструкций рупоров.

В качестве головок используются главным образом динамические системы с предрупорными компрессионными камерами, присоединяемыми к входному отверстию рупора (к расширяющейся части) посредством согласующей горловины, так называемой горловины-adanmepa. Для увеличения мощности возбуждения к одному рупору можно присоединять несколько предрупорных камер, используя Y-образный адаптер (рис. 4.20а). В этом случае необходимо обеспечить равенство фаз и времени прохождения в месте пересечения двух каналов, чтобы не возникало взаимного подавления звука. Компания Electro-Voice указывает, что она решила эту проблему, применив «коллекторную» технологию (рис. 4.20Ь), в которой благодаря новой конфигурации адаптера не может возникать подавления звука в продольном направлении и появляются лишь незначительные эффекты поперечного подавления звука[4.25].

Для покрытия площади аудитории звуком используют рупоры с различной направленностью. В настоящее время эти рупоры часто конструируют таким образом, что направленность их излучения практически не зависит от частоты, как, например, на рис. 4.21. Такие CD-рупоры (constant directivity horns), то есть рупоры с неизменной направленностью имеют различные экспоненциальные и гиперболические изгибы по всей длине. Преимущество частотно-независимой направленности, важное при определении оптимальных зон покрытия, утрачивается вследствие уменьшения чувствительности на высоких частотах (эту частотную зависимость приходится компенсировать за счет электрической коррекции).

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ РУПОРЫ

Для верхнего частотного диапазона выпускаются два основных типа рупорных громкоговорителей: рупорные излучатели, обладающие конструктивными характеристиками, аналогичными характеристикам среднечастотных рупоров, и работающие в диапазоне частот от 1 до 10 кГц, и специальные ВЧ-громкоговорители для диапазона частот от 3 до 16 кГц. Первый тип используется главным образом как ВЧ-громкоговоритель в комбинированных устройствах, содержащих громкоговорители с фазоинвертором (см. рис. 4.13). Кроме дифракционных излучателей можно применять небольшие CD-рупоры.

Небольшие специальные ВЧ-излучатели имеют в основном осесимметричнуто конструкцию. Их головка работает на предрупорную камеру и состоит из металлической или, реже, пластмассовой диафрагмы, связанной с очень маленькой камерой. Как и в большинстве систем с предрупорной камерой, задняя сторона диафрагмы демпфируется слоем вспененной пластмассы. На излучающем конце предрупорная камера содержит фазокорректирующий вкладыш, который тоже образует центральный элемент концентрического рупора (рис. 4.25). Каналы, формируемые куполом и стенками рупора, расположены так, что они оказываются выше пиков (пучностей), образующихся за счет первого собственного резонанса диафрагмы. Таким образом улучшается эффективность предрупорной камеры на высоких частотах...

РУПОРНЫЕ ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННОГО ЗВУКОУСИЛЕНИЯ

Информационные звуковые системы обычно предназначены для передачи речи с высокой ясностью, для чего часто достаточно излучать частоты в диапазоне от 200 Гц до 4 кГц (это даже улучшает разборчивость). Можно создать очень жесткие сложенные рупоры со встроенными компрессионными головками, способные передавать весь диапазон частот. Благодаря хорошей защите от воздействий окружающей среды, для чего применяется листовой металл или различные пластмассы, эти рупоры часто используют для работы на открытом воздухе. Явно выраженная характеристика направленности делает их пригодными для покрытия узких площадей.

ОДИНОЧНЫЕ ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ

В технике звукоусиления небольшие широкополосные одиночные громкоговорители используются только в децентрализованных системах, например, в качестве потолочных или настенных громкоговорителей для информационных систем или для воспроизведения звуковых эффектов, для усиления эффекта пространственности и увеличения времени реверберации. Громкоговорители особо малого размера (с диаметром диффузора <120 мм) встраивают в спинки кресел зала, в стол председателя или в балюстрады балконов, а также с передней стороны сцены на малом расстоянии от слушателей. Уровни мощности — 1,5...3 Вт, а у потолочных громкоговорителей — 6... 12,5 Вт.

БОЛЬШИЕ ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВНУТРИ ПОМЕЩЕНИЙ

Для основных групп громкоговорителей больших систем звукоусиления требуются излучатели большой номинальной мощности, с широким диапазоном воспроизводимых частот и предпочтительно с высокой направленностью излучения. Обычно для достижения этих характеристик используют звуковые колонки или комбинации громкоговорителей с фазоинвертором и рупорных громкоговорителей для воспроизведения средних и высоких частот или, что реже, комбинации только рупорных громкоговорителей.

Эти излучатели часто располагают как централизованные группы основных громкоговорителей, определяющих уровень звука и нередко тембр всей системы. За исключением излучателей, используемых только для передачи речи и воспроизведения музыки очень высокого качества, диапазон передаваемых частот обычно составляет 80 Гц... 16 кГц. Для систем, предназначенных только для речи, достаточно иметь более узкий диапазон частот — от 150...200 Гц до 10... 12 кГц, а для воспроизведения музыки требуется нижний предел <40 Гц. Это требование обычно может быть выполнено только с помощью специальных дополнительных громкоговорителей (сабвуферов) большего размера, чем обычные громкоговорители для звукоусиления.

Расположение и ориентация громкоговорителей оказывают важное влияние на направление восприятия акустического сигнала. Более важно, однако, чтобы звуковое поле громкоговорителей не создавало положительной акустической обратной связи через микрофоны, используемые во время представления.

Если централизованное расположение по каким-либо причинам не подходит и приходится выбирать более или менее децентрализованное расположение громкоговорителей (это обычно требует применения устройств задержки), необходимо обращать внимание на то, что звук, отражаемый обратно, в сторону сцены, должен быть минимальным по уровню, потому что «реакция помещения» может привести к нежелательному эффекту пространственности и даже создавать на сцене или вблизи нее мешающее эхо. Оба эти явления мешают актерам, а также зрителям, места которых находятся рядом со сценой. Поэтому основные группы громкоговорителей почти всегда содержат излучатели с кардиоидной или другой диаграммой, характеризующейся очень высокой направленностью.

Для концертов рок- и поп-музыки и в системах, которые должны воспроизводить очень высокие уровни звука, используют почти исключительно комбинации специальных рупорных громкоговорителей, и только из-за размеров их приходится размещать на сцене. Мощность систем, используемых в больших залах или на открытой площадке, может значительно превышать 100 кВт [4.26]. В таких случаях специально выделяют отдельные громкоговорители или группы громкоговорителей для определенных инструментов, групп инструментов, вокалистов или — в случае чисто электронной музыки — для специальных регистров [4.27].

СЦЕНИЧЕСКИЕ ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ

Для целей мониторинга в месте проведения представления (на сцене или помосте) используют стационарные или мобильные сценические мониторы. Их функция — подача исполнителям специального сигнала, на который оказывают минимальное влияние группы громкоговорителей для озвучивания помещения или удаленные громкоговорители. Этот сигнал предназначен для координации действий исполнителей между собой и с фонограммой.

Стационарные системы могут представлять собой небольшие звуковые колонки, расположенные внутри авансцены (на поперечной балке и по бокам), поскольку в этих местах имеется минимальный временной сдвиг по отношению к основным громкоговорителям.

Мобильные сценические мониторы обычно имеют форму, изображенную на рис. 4.27. Их можно располагать на сцене между исполнителями и зрительным залом, так как они не мешают наблюдать за происходящим на сцене. Сценические мониторы должны создавать минимальное излучение в обратном направлении, поскольку иначе звук от них будет мешать зрителям, места которых находятся вблизи сцены. Компактная конструкция громкоговорителей ухудшает чувствительность и сужает частотный диапазон.

Сценические мониторы дополняются громкоговорителями сценических эффектов, с помощью которых, например, в театрах создаются звуковые эффекты, которые должны восприниматься как исходящие из глубины театральной сцены. Наиболее удобны для этого большие стационарные или мобильные громкоговорители того же типа, что и используемые в основных группах громкоговорителей. Громкоговорители или их группы должны иметь высокую направленность и по возможности быть частотно-независимыми (особенно при размещении за кулисами), так как большую часть излучаемой энергии они должны направлять в зал.

Третья группа сценических громкоговорителей может быть применена для обеспечения акустической локализации слабых источников (см. раздел 6.5). Эти громкоговорители должны отвечать нескольким, иногда противоречивым, требованиям:

• малые размеры, чтобы не ухудшался обзор;

• 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

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.

У электростатического преобразователя в форме конденсаторного микрофона многочисленные преимущества:

• широкий диапазон передаваемых частот и сбалансированная частотная

характеристика;

• пониженная чувствительность к структурному шуму (передаваемому по

конструкции);

• прекрасная переходная характеристика (благодаря очень малой массе

диафрагмы);

• нечувствительность к помехам от магнитных полей.

Возможность электронного переключения характеристики направленности можно рассматривать как дополнительное преимущество. Наряду с указанными преимуществами имеются и недостатки:

• необходимость напряжения питания для согласующего усилителя;

• чувствительность электростатической системы к влажности;

• сравнительно высокая стоимость высококачественных конденсаторных

микрофонов (в связи с необходимостью применения дополнительного

предусилителя).

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ МИКРОФОНЫ

Система преобразователя состоит из проводника, движущегося в магнитном поле с постоянным потоком в соответствии с изменениями звукового давления. Поэтому величина и частота индуцируемого в проводнике электрического напряжения пропорциональны изменению звукового давления.

В варианте ленточного микрофона металлический проводник представляет собой ленту. Очень малая масса ленты позволяет получить сбалансированную частотную характеристику, однако такие микрофоны сегодня используются редко из-за большой массы магнита и хрупкости ленты.

Другой вариант конструкции электродинамического микрофона, микрофон с подвижной катушкой, играет важную роль в технике звукоусиления. В этом типе микрофона изменения звукового давления перемещают катушку, жестко прикрепленную к диафрагме. Катушка движется в магнитном поле, индуцирующем в ней напряжение, пропорциональное перемещению. Система диафрагма-катушка центрируется посредством упругой подвески (рис. 4.35) и работает, подобно всем электродинамическим преобразователям, выше частоты основного резонанса. Если система сзади закрыта, как показано на рис. 4.35, получается микрофон давления, а если открыта — микрофон-приемник градиента давления.

Проблема систем с низкой резонансной частотой состоит в необходимости линеаризации основного резонанса, что требуется для получения достаточно широкого и сбалансированного диапазона передаваемых частот. В микрофоне с подвижной катушкой это достигается или с помощью выбора соответствующей конфигурации воздушного объема позади диафрагмы (акустическийлабиринт) или — как и в случае громкоговорителей — с помощью комбинации дополнительных и по-разному настроенных систем. Такое решение позволяет создавать микрофоны с подвижной катушкой студийного качества.

Обычно высокая чувствительность к структурному шуму у микрофонов с подвижной катушкой и низкой резонансной частотой эффективно снижается благодаря использованию демпфирующих пружинных систем подвески. Это особенно важно для ручных микрофонов. Помехи от магнитных полей удается в значительной степени устранить с помощью компенсирующих катушек. Сегодня динамические микрофоны получили доминирующее распространение в технике звукоусиления, особенно как портативные микрофоны для солистов, благодаря:

• прочной конструкции;

• пониженной чувствительности к перегрузкам

• пониженной чувствительности к влажности;

• простому подключению;

• сравнительно низкой стоимости.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ МИКРОФОНЫ

Кроме стандартных конструкций микрофонов на подставке, ручных и подвесных в технике звукоусиления часто используют ряд специальных конструкций.

ПЕТЛИЧНЫЕ И НАГРУДНЫЕ МИКРОФОНЫ

Чтобы избежать положительной обратной связи при усилении голоса (речи), возникающей, когда человек находится в движении, часто необходимо располагать микрофон очень близко ко рту. Для обеспечения максимальной свободы движения используют петличные или нагрудные микрофоны.

Петличные микрофоны очень малы, и они крепятся к одежде с помощью зажима. В качестве преобразователя наиболее часто применяют конденсаторный микрофон с ненаправленной характеристикой; направленные микрофоны для этой цели используются реже вследствие их более сложной конструкции и несколько больших размеров. Так как микрофон располагается ниже рта говорящего, коррекции эффекта близости не требуется. Поскольку расстояние между ртом говорящего и микрофоном очень мало, а вследствие эффекта экранирования телом и одеждой вероятность возникновения положительной обратной связи невелика, микрофоны давления можно использовать в системах звукоусиления. При соответствующей фильтрации петличные микрофоны вполне подходят для передачи речи.

Нагрудный микрофон подвешивается на шнуре за шею и располагается на груди говорящего. Для такого микрофона характерна компонента структурного шума, обнаруживаемая в узком частотном диапазоне — в области 700 Гц, которая передается на микрофон через грудную кость. Чтобы подавить эту компоненту, нагрудные микрофоны снабжают частотными корректорами (рис. 4.36). В качестве нагрудных микрофонов используют почти исключительно динамические микрофоны с ненаправленной характеристикой. Вследствии малого расстояния от микрофона до говорящего и эффекта экранирования за счет тела эти микрофоны тоже можно применять в системах звукоусиления, не опасаясь положительной обратной связи.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО СЪЕМА СИГНАЛОВ ИНСТРУМЕНТОВ С НИЗКИМ ВЫХОДНЫМ УРОВНЕМ ЗВУКА

Для усиления звука, создаваемого инструментами с низким выходным уровнем, особенно если они звучат вместе с громкими инструментами или если по художественному замыслу желательно иметь остронаправленную характеристику и избежать перекрестных помех, применяют специальные электроакустические преобразователи. Часто они работают как датчики вибрации. Например, для гитар используют магнитные датчики, непосредственно воспринимающие колебания стальных струн. Общей проблемой является необходимость усиления звучания струнных инструментов и арф, чтобы обеспечить баланс между ними и более громкими духовыми и ударными инструментами. В настоящее время для этого обычно применяют специальные микрофоны с зажимами. Они крепятся над отверстиями в деке струнных инструментов, и их сигналы передаются на микшер через местный предусилитель. Эта техника съема звука дает лучшие результаты, чем применявшиеся ранее вибрационные звукосниматели с креплением к деке. Однако все датчики прямого съема звука для струнных инструментов имеют недостатки, связанные с подмешиванием когерентных звуковых компонент: они не позволяют получить богатый, подобную хору, интенсивный струнный звук и страдают от эффектов гребенчатого фильтра. Чтобы избежать этого, необходимо к звуку струнных инструментов добавлять некогерентный звук помещения.

ГРАНИЧНЫЕ МИКРОФОНЫ

Расположение микрофона на обычной высоте (1,20-1,50 м над полом) неудобно тем, что микрофон или подставка загораживают вид; в общем, их можно считать мешающими элементами. Это особенно нежелательно для театральных представлений или телевизионных передач. Если источник звука находится на некотором расстоянии от микрофона, в месте расположения микрофона возникает интерференция между прямым звуком и звуком, отраженным от пола. При определенном расстоянии между микрофоном и источником звука это отражение может привести к связанным с эффектом гребенчатого фильтра искажениям частотной характеристики, которые могут проявиться как «рычащий» звук (рис. 4.37) (см. также раздел 3.2.2).

Чтобы устранить эти недостатки, было предложено размещать микрофоны вблизи пола и обеспечить соответствующую изоляцию от проникновения структурного шума (рис. 4.38). Но при таком размещении остается небольшой просвет между микрофоном и полом, поэтому эффект гребенчатого фильтра на высоких частотах полностью не устраняется.

Установлено, что при размещении микрофонов вблизи пола характеристики направленности не теряются, а порог возникновения положительной обратной связи возрастает вследствие увеличения чувствительности на 3 дБ (это связано с расположением микрофона перед большой поверхностью, за пределами критического расстояния громкоговорителей).

Различные изготовители производят сегодня граничные микрофоны, которые часто предлагаются под названием микрофоны зоны давления (pressure zone microphones — PZM) [4.38]. Диафрагма таких микрофонов помещена внутри отражающей поверхности (рис. 4.39а и с) или располагается непосредственно над ней (рис. 4.39Ь). Используя эти микрофоны, можно избежать эффекта гребенчатого фильтра и на высоких частотах. Поскольку диафрагма должна находиться в плоскости отражающей поверхности, можно очень легко создать микрофоны, работающие по принципу давления, с полусферической характеристикой направленности. Некоторые изготовители предлагают микрофоны такого типа, приспособленные для монтажа, например, к верхней поверхности стола докладчика или к краю подиума (рис. 4.40). Но, строго говоря, это — микрофоны-приемники градиента давления, а не граничные микрофоны. Граничные микрофоны удобны для регистрации звука малых ансамблей, рассредоточенных на большой площади, и солистов. На конференциях при установке микрофонов вровень с поверхностью стола также можно достигнуть приемлемых результатов. Было обнаружено, что для хорошей регистрации звука фортепьяно микрофон можно установить непосредственно на откидной крышке инструмента, которая служит в этом случае и как отражающая поверхность, и как экран, что особенно важно для звукоусиления.

Однако граничные микрофоны не пригодны для регистрации звука, излучаемого большими источниками, находящимися в глубине сцены, например, симфоническими оркестрами и многоголосыми хорами. В таких случаях затеняются задние группы, и в результате тембр звука становится неудовлетворительным. Суммируя сказанное выше, можно сформулировать следующие преимущества граничных микрофонов:

• отсутствует эффект гребенчатого фильтра;

• независимость частотной характеристики от эффекта увеличения давления;

• визуально микрофоны не заметны для зрителей и не мешают работе

телевизионных камер;

• меньшая склонность к эффекту положительной обратной связи;

• легче достигается баланс между отдельными частями ансамбля.

Наряду с этими преимуществами имеются и недостатки:

• повышенное влияние структурного шума;

• опасность эффекта «затенения» при регистрации звука от ансамблей,

рассредоточенных по глубине;

• падение высоких частот при очень близком расположении микрофона к

источнику (в результате этого высокие частоты проходят над микрофоном).

ПЕРЕДАЧА ЗВУКА И УСИЛИТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Структура систем звукоусиления зависит от их назначения. В простейшей форме эта система содержит:

• программно-передающую часть, которая включает такие источники

сигналов, как микрофоны, магнитофоны, приемники и предусилители;

• системы распределения сигналов;

• устройства управления;

• усилители мощности;

• один или несколько громкоговорителей.

Поскольку периферийные акустические преобразователи (громкоговорители и микрофоны) уже рассмотрены, этот раздел посвящается проводной и беспроводной передаче сигналов, а также средствам промежуточного хранения и усиления сигналов.

СПОСОБЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ МИКРОФОНОВ

Выбор способа подключения микрофонов — с учетом прохождения микрофонных сигналов через усилитель, микшер или микрофонный усилитель-распределитель — зависит от рабочей технологии и назначения системы. Оптимально выбранный способ подключения гарантирует, что для всех предполагаемых видов событий могут быть найдены наиболее удачные места расположения микрофонов, подключаемых с помощью коротких и гибких микрофонных кабелей.

Такие крупные коммуникационные центры, как театры, залы универсального назначения, концертные залы, конгресс-центры и конференц-залы, обычно оборудуются постоянными микрофонными кабельными сетями...

Микрофонные розетки целесообразнее группировать на настенных панелях, нежели под полом. В этом случае исключается проблема доступа к ним при установке декораций или укладке напольных покрытий; кроме того, они не так сильно загрязняются пылью и мусором. Розетки чаще всего устанавливают слева и справа от сцены, а также сзади нее. Розеток на панели может быть от шести для малых сцен до 30-40 для очень больших сцен. В оркестровой яме устанавливают при необходимости 30-40 розеток.

Очень большие соединительные панели чаще всего выполняют по принципу групповых кабельных соединений. С помощью магистральных (многожильных) кабелей можно легко подвести микрофонные кабели к соединительным точкам, например, к месту расположения оркестра, откуда кабели распределяются по различным микрофонам. Для цифровых сигналов все более важную роль играют оптоволоконные соединения. Основные групповые кабельные соединения часто дополняются небольшим числом индивидуальных соединений, которые прокладываются параллельно. Эти соединения используются, когда требуется менее сложная техника подключения микрофонов.

Кроме соединений, находящихся в пределах площади основного действия, необходимы дополнительные точки для местных соединений, позволяющих регистрировать звук хоров и симфонических ансамблей с помощью подвесных микрофонов, соединения для которых должны располагаться на потолке, над сценой. В больших концертных залах могут также использоваться подвесные микрофонные системы, при этом должна обеспечиваться возможность корректировать положение микрофонов с центрального пульта управления. Другие соединения устанавливаются таким образом, чтобы микрофоны можно было размещать над аудиторией. Для служебной связи внутри здания особенно важны микрофоны для мониторинга. Их чаще всего размещают попарно над сценой, оркестровой ямой и в задней части зрительного зала. Они используются для формирования сигнала звукового сопровождения в системе дистанционной демонстрации изображений. Эту систему обычно объединяют с системой помощника режиссера.

Конгресс-центры часто оборудуют дискуссионными системами, а в малых конференц-залах устанавливают автоматические микшеры, в которых микшерные каналы открываются пороговым коммутатором. Уровень открывания можно отрегулировать так, чтобы мешающие шумы в интервалах между речью не усиливались [4.40].

При оборудовании в крупных центрах разветвленных микрофонных сетей необходимо учитывать допустимую длину линии. Она не должна превышать 250 м для стандартных кабельных линий с сопротивлением источников 200 Ом, и тогда можно избежать затухания высоких частот в передаваемом сигнале.

Чтобы свести к минимуму число микрофонов, совместно используемых для производства программ, большие системы оснащают усилителями-распределителями, на которые подается микрофонный сигнал для распределения чаще всего между четырьмя внутренними и внешними пользователями. Кроме уменьшения числа микрофонов это позволяет увеличить длину микрофонной передающей линии, например, для подключения к передвижной телевизионной станции (ПТС).

БЕСПРОВОДНАЯ ПЕРЕДАЧА

Для регистрации звука без ограничений, связанных с кабелями, были разработаны радиомикрофоны. Вместо кабеля обычно используются высокочастотные каналы передачи сигнала. В настоящее время в технике звукоусиления находит применение и инфракрасное оборудование.

ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ПЕРЕДАЧА

Поскольку качество передачи с использованием высокочастотных каналов сегодня не уступает проводным линиям, эти каналы часто используют для мобильных источников. Передатчики нередко объединяют с микрофонами. В качестве преобразователей применяют либо направленные микрофоны (чаще всего приемники градиента давления с кардиоидной характеристикой) или микрофоны с ненаправленной характеристикой. Антенной служит провод, выходящий из ручки микрофона, в которой смонтирован передатчик. Либо используется антенна электронного типа, размещенная внутри той же ручки. Кроме микрофонов со встроенными передатчиками достаточно распространены выносные блоки передатчиков. Размером они примерно с бумажник и закрепляются вместе с антенной под одеждой. Эти передатчики можно использовать не только для ручных, но и для петличных микрофонов. Преимущество таких микрофонов в том, что они незаметны.

Для уменьшения чувствительности к помехам в качестве международного стандарта для сценической техники передачи звука принята частотная модуляция. При этом обычно используются несущие частоты в диапазонах ОВЧ (150...250 МГц) и УВЧ (450...950 МГц). Следует отметить, что в разных странах стандартизованы различные частоты. Например, в США — 900 МГц, а в Великобритании — 860 МГц. Поскольку для достижения наивысшего качества разнос соседних каналов должен быть не менее 300 кГц, в этом частотном диапазоне можно разместить не более трех широкополосных каналов студийного качества. Чтобы обеспечить высокое качество передачи для большего числа каналов (до 88), часто используют незанятые полосы частот ОВЧ-диапазона - 174...230 МГц и 470...790 МГц. В США несущие частоты размещают в диапазонах ОВЧ 169...218 МГц и УВЧ 780...900 МГц1.

В большинстве стран для эксплуатации передающего оборудования требуется лицензия, выдаваемая соответствующей государственной организацией.

Так как радиопередача на сцене часто используется в залах, строительные конструкции которых содержат многочисленные металлические отражающие поверхности, необходимо помнить о возможности сильных помех, особенно проявляющихся при перемещении передатчика. По этой причине в высококачественных системах используют несколько антенн, распределенных по помещению и работающих по принципу разнесенного приема (рис. 4.41).

Высокочастотная радиопередача тоже применяется в технике звукоусиления для передачи звукового сигнала на мобильные системы с активными громкоговорителями, снабженными приемниками и усилителями мощности. Здесь используется тот же принцип, что и для сценической передачи, за исключением того, что передатчик обычно обслуживает всю группу громкоговорителей, соединенных с ВЧ-приемниками.

ИНФРАКРАСНАЯ ПЕРЕДАЧА

Кроме высокочастотной радиопередачи в технике звукоусиления все шире применяется инфракрасная передача. В этом разделе описан метод, применяемый в настоящее время [4.41, 4.42].

В качестве передатчика используются светодиоды на арсениде галлия, работающие на длине волны около 930 нм. Поскольку их излучение некогерентное, для увеличения его мощности можно использовать любое количество светодиодов. На практике в одном передающем блоке используют от 12 до 120 диодов.

В качестве приемника применяется фотодиод с собирающей линзой типа «лягушачий глаз», которая позволяет принимать максимально возможное число прямых и отраженных лучей. Видимый свет, который может быть принят диодом и является помехой, поглощается черным фильтром. Часто рядом устанавливают несколько фотодиодов. Для передачи используется несущая частота 95 кГц, модулируемая звуковым сигналом. Если один и тот же передатчик должен работать на группу каналов, необходимо несколько вспомогательных несущих. Для исключения перекрестных помех частотная модуляция должна иметь очень малые нелинейные искажения. На рис. 4.42 показаны варианты конструкций передатчиков и приемников.

В связи с большими размерами передатчиков и их выраженной направленностью инфракрасный метод передачи в настоящее время для сценических микрофонов не используется, но часто применяется в системах синхронного перевода. Передатчики этих систем размещаются в зале заседаний над местами для делегатов, которым выдаются приемные устройства. Выбрав соответствующий канал, делегат принимает сигнал на желаемом языке. При использовании современных компьютерных программ мы можем предсказать распределение поля излучения над слушательской зоной, для того чтобы быть уверенными, что все приемники получат сигнал с достаточно высоким уровнем (ср. рис. 4.42d).

В отличие от высокочастотного, а также индукционного методов передачи на звуковой частоте, инфракрасный метод исключает нежелательное прослушивание вне помещения. Другая область применения инфракрасного метода передачи — экскурсионные системы в музеях, галереях и на выставках. В этих системах используется свойство инфракрасного света —ограниченность распространения. Отдельные экспонаты снабжают индивидуальной информацией на разных языках, которую можно принимать только в определенном зале [4.43] (см. раздел 6.6.5).

Устройства записи и воспроизведения звука, усилители

Устройства записи и воспроизведения звука играют важную роль в системах звукоусиления. Наиболее часто их применяют, например, для воспроизведения:

• фоновой музыки в информационных системах;

• музыки в шоу и музыкальных программах (например, музыкального

аккомпанемента для солистов или постоянного ритма - метрономной

дорожки - для обеспечения синхронности движений артистов и музыки);

• разнообразных звуковых спецэффектов для создания акустической

атмосферы в театральных постановках;

• специально подготовленных записей как части современной композиции в

концертных или оперных залах.

АНАЛОГОВЫЕ УСТРОЙСТВА ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЗВУКА

Программы, воспроизводимые в помещении, обычно записывали и до сих пор записывают на двухканальные студийные магнитофоны. В отличие от метода стереофонической записи для компакт-дисков и радиопередач, в этом случае общепринято записывать на разные дорожки различные группы, например, голоса и аккомпанемент или струнные и медные инструменты, чтобы иметь возможность скорректировать баланс или подать сигналы этих групп на разные громкоговорители.

Для специальных целей в многоканальных системах звукоусиления тоже используются устройства с восемью и большим числом дорожек. При производстве записей, а также при их воспроизведении через многоканальные звуковые системы широко используются 4, 8- и 16-канальные магнитофоны.

Один из недостатков аналоговой техники магнитной записи - более низкое отношение сигнал-шум по сравнению с остальными элементами звукового тракта. В 1/4-дюймовых стереомагнитофонах это отношение составляет не более 60 дБ, а с увеличением каналов записи оно уменьшается. Например, 1/4-дюймовые четырехканальные магнитофоны имеют отношение сигнал-шум всего 35...40 дБ. Для уменьшения шума ленты в настоящее время используются такие хорошо отработанные системы шумоподавления, как Dolby SR [4.44] или Telcom C4 [4.45]. Они улучшают отношение сигнал-шум максимум на 30 дБ. Эти системы базируются на переменной, частотно-зависимой компрессии (динамическом сжатии) при записи и соответствующей коррекции при воспроизведении. Такая комбинация компрессора и экспандера называется компандером.

Кроме студийных магнитофонов с записью на катушки/бобины ленты также применяются кассетные магнитофоны, которые получили широкое распространение и отличаются простотой пользования. В большинстве случаев они используются как стереофонические устройства записи на ленты различных типов по классификации МЭК: I (Fe2O3), II (СгО2), III (двухслойная лента) и IV; в них тоже применяются различные системы шумоподавления (Dolby В, Dolby С, dbx и др.)- Благодаря простоте эксплуатации и широкому распространению этих систем кассеты часто используются солистами для музыкального аккомпанемента. Во время конгрессов и съездов с помощью кассетных магнитофонов записывают ход заседания (см. также [4.46]).

Кроме аналоговых устройств записи на магнитную ленту любая достаточно крупная звуковая студия должна иметь возможность воспроизвести виниловые грампластинки, также как и их современную версию на компакт-дисках.

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЗВУКА

По сравнению с аналоговыми цифровые устройства записи и воспроизведения звука открывают совершенно новые возможности. Различают магнитные, оптические и электронные носители. Они обеспечивают почти неограниченное число перезаписи без ухудшения качества, с коррекцией ошибок и практически не вносят искажений.

Все цифровые операции, осуществляемые в звуковой технике и, естественно, в технике звукоусиления, требуют дискретизации сигналов с частотой не менее 30 кГц, чтобы обеспечить передачу частот до 15 кГц. В связи с конечной крутизной спада характеристики ограничительных фильтров нижних частот и необходимостью передачи дополнительных сигналов управления тактовую частоту желательно выбирать равной примерно 44 кГц. Для бытовой техники обычно используют частоту 44,1 кГц, а для профессионального оборудования - 48 кГц. В некоторых системах магнитной записи на ленту (например, R-DAT) имеется возможность переключения с 44 кГц на 48 кГц [4.47].

Цифровые устройства магнитной записи, например, кассетные магнитофоны типа R-DAT (с вращающимися магнитными головками) и S-DAT (магнитная запись с использованием неподвижной магнитной головки на несколько параллельных дорожек), не нашли широкого применения из-за высокой стоимости и других недостатков.

Важную роль в качестве цифровых устройств хранения информации играет группа оптических носителей данных. Наиболее распространен компакт-диск (CD) [4.48], информация на который записывается в виде крошечных ямок (питов), сканируемых лазером. Посредством процедуры поляризации емкость диска можно увеличить, а используя записывающие устройства (так называемые CD-writer), на диск можно записать собственные данные. В настоящее время все шире используются стираемые и перезаписываемые оптические диски. (Используются магнитооптические и аморфно-кристаллические методы записи.) По сравнению с записью на магнитную ленту, эти методы обеспечивают бесконтактное сканирование и, следовательно, отсутствие износа носителя при многократном использовании [4.49]. Другие преимущества - быстрота доступа, возможность составления и воспроизведения программы, возможность точной установки и подстройки поисковых меток.

Все шире применяются средства хранения, которые пришли из компьютерной техники. Так называемая "запись на жесткий диск" позволяет получать быстрый доступ к любым звуковым дорожкам, а программное обеспечение, базирующееся на последующей обработке, постоянно совершенствуется.

Современные разработки также привели к увеличению емкости CD-ROM; DVD (Digital Versatile Disc - "цифровой многофункциональный диск) позволяет хранить, в зависимости от частоты дискретизации и частотной характеристики, целые книги, полнометражные фильмы или до трех часов высококачественной музыки. Поэтому все более важное значение приобретает не только архивирование звука и видеодокументов, но и простое использование звуковых дорожек (а также быстрый доступ к ним) звукооператорами, работающими за микшерным пультом.

Электронное хранение с использованием оперативных запоминающих устройств (ОЗУ) и стираемых программируемых постоянных запоминающих устройств (ППЗУ) тоже применяется в технике звукоусиления. Оно позволяет записывать и накапливать звуковую информацию и вызывать ее из памяти с помощью компьютера в различных комбинациях. Эти устройства используются, например, в информационных системах для создания "синтезированных" объявлений (см. раздел 6.1).

РЕГУЛИРОВКА УРОВНЯ

В отличие от аналогового метода, в котором максимальная модуляция обычно ограничивается характеристикой канала записи, в цифровом методе перегрузка аналого-цифровых преобразователей приводит к внезапным сильным искажениям. Поэтому сигналы, записываемые в цифровой форме, необходимо контролировать с помощью пикового индикатора уровня.

Следует учитывать, что воспроизводимые цифровые записи имеют больший динамический диапазон. По сравнению с аналоговой, при воспроизведении цифровой записи необходим больший резерв мощности, чтобы обеспечить тот же уровень звука (определяемый среднеквадратическим значением). Вот почему в международной практике принят "запас по максимуму" не менее 10 дБ. Другое ограничение динамического диапазона определяется шумом дискретизации, для чего требуется "запас по минимуму" 16...20 дБ. Эти ограничения означают, что качество воспроизведения аналоговых записей с применением эффективных компандеров сегодня сравнимо с качеством обычной цифровой записи (см. также раздел 5.2.3). Поэтому значительного улучшения качества цифровой техники можно ожидать лишь при полном распространении 24-битной техники.

УСИЛИТЕЛИ

В каждой системе звукоусиления электрический сигнал, создаваемый различными источниками, должен быть усилен до величины, при которой возможна работа громкоговорителей. В упрощенном представлении процесс усиления можно разделить на две стадии: предварительное усиление и усиление мощности. Если выполняются микширование, регулирование уровня или обработка звукового сигнала, возникающие при этом потери напряжения и мощности должны быть скомпенсированы дополнительным усилением.

УСИЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Сравнительно низкое напряжение, создаваемое источниками сигнала в системе звукоусиления (табл. 4.2), должно быть увеличено предварительным усилителем до величины, позволяющей использовать микшеры, фильтры, усилители-распределители и т.п. без существенного снижения отношения сигнал-шум. Обычно на выходе предварительного усилителя уровень сигнала составляет 0,775 В - это признанный в мире опорный уровень. Эффективное напряжение 0,775 В обеспечивает на стандартной нагрузке 600 Ом мощность 1 мВт. Уровень относительно этого напряжения (характеризующего опорное значение 1 мВт) обозначают поэтому "дБм" (дБ относительно 1 мВт). Для студийного оборудования в качестве опорного используют удвоенное значение этого напряжения.

Поэтому передающие линии для этого напряжения называют "6-дБлинии".

В усилителях напряжения (то есть предусилителях и бустерах) безваттное соединение используется для исключения частотно-зависимого затухания. Внешнее сопротивление нагрузки /?а такого усилителя (рис. 4.43) поэтому должно быть в 25 раз выше выходного сопротивления усилителя. За счет параллельных соединений это значение может быть уменьшено до 1/5, то есть R^.R = 5:1, но до того, как возникнут заметные помехи [4.50]. При подключении линии с внутренней емкостью CL емкостное сопротивление l/(coCL) должно быть больше 5Л. Эти условия необходимо учитывать, например, при подключении различных усилителей мощности к одному выходу микшерного пульта. При этих условиях уровень падает на 1,6 дБ. Но если значение сопротивления нагрузки будет равно лишь удвоенному внутреннему сопротивлению усилителя, падение уровня при тех же условиях составит 3,5 дБ, что может привести к нарушению работы усилителя.

Если большее число устройств должно подключаться параллельно к одному усилителю, то есть если сопротивление нагрузки становится слишком малым, необходимо в качестве согласующего использовать буферный усилитель.

УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

Усилители мощности могут подключаться непосредственно к предварительным усилителям. При подключении микшера и периферийного оборудования (микрофона, магнитофона, громкоговорителя) образуется наиболее простая система звукоусиления, которая может работать независимо. Такие системы называют мощными микшерами. В больших системах усилители мощности могут находиться в одном ящике с громкоговорителями или размещаться в отдельных стойках аппаратной.

Существует два основных типа усилителей мощности. Первый тип предназначен для подключения сравнительно высокоомной сети, и его выходное напряжение поддерживается постоянным (за счет глубокой отрицательной обратной связи) до момента достижения максимальной полной мощности. Максимальное значение этого напряжения в Европе составляет 100 В (в США 70 В). В некоторых странах его уменьшают и до 50 В, чтобы снизить потенциальную опасность поражения электрическим током при случайном прикосновении.

Ко второму типу относятся усилители мощности, которые постоянно закрепляются за громкоговорителями с помощью короткой низкоомной линии. Максимально возможная мощность усилителя определяется допустимыми искажениями. Максимально допустимыми часто считают нелинейные искажения до 1%.

В настоящее время в технике звукоусиления редко используются усилители мощностью менее 50 Вт. В 100-В оборудовании обычно применяют усилители 100...300 Вт, а для работы на низкоомную нагрузку используют усилители еще большей мощности - до 4000 Вт.

ВЫСОКООМНЫЙ МЕТОД (100-В ОБОРУДОВАНИЕ)

Благодаря пониженному внутреннему сопротивлению усилителей мощности высокоомный метод соединения позволяет подключать различные типы громкоговорителей, причем вплоть до достижения максимальной мощности их выходное напряжение не изменяется. Но для этого при подключении громкоговорителей необходимо их согласовывать с учетом нагрузочной способности усилителя мощности (100-В линии), чтобы не превышалась максимальная отдаваемая мощность. Можно применять широко распределенные сети громкоговорителей с нереактивной переменной нагрузкой Чтобы избежать перегрузки вследствие несогласованных или неправильных соединений, перед пуском системы в эксплуатацию рекомендуется проверить полное сопротивление сети громкоговорителей (обычно на частоте 1 кГц). Полное сопротивление не должно быть ниже... Кроме упрощения соединений 100-В техника обеспечивает передачу высокой мощности по кабелям сравнительно малого поперечного сечения. Поэтому следует всегда отдавать предпочтение широко распределенным сетям громкоговорителей. При подключении высококачественных громкоговорителей сопротивление линии не должно превышать 5% номинального полного сопротивления подключенных громкоговорителей, это поможет избежать излишних потерь мощности. Недостаток высокоомного метода соединения - необходимость в согласующих трансформаторах: их индуктивность и емкость могут ограничить передаваемый диапазон частот.

НИЗКООМНЫЙ МЕТОД

Согласно этому методу, импедансы усилителя мощности и громкоговорителя должны быть согласованы. Это означает, что максимальная мощность усилителя передается непосредственно на громкоговоритель, если сопротивление громкоговорителя, включая сопротивление соединительной линии, равно внутреннему сопротивлению усилителя. Благодаря исключению трансформаторов достигается высокое качество передачи сигнала на высококачественные системы громкоговорителей. Значения выходного сопротивления соответствуют нормированному сопротивлению громкоговорителей: 4, 8, 12 или 16 Ом, но предпочтительным является 8 Ом. Исходя из этих условий, можно сделать вывод, что сопротивление соединительных линий громкоговорителей должно быть минимально возможным. Оно не должно превышать 10% нормированного сопротивления подключенного громкоговорителя: иными словами, 0,8 Ом для нормированного сопротивления 8 Ом.

Кроме сопротивления соединительной линии громкоговорителя необходимо учитывать максимальную плотность тока в кабеле, поскольку низкое сопротивление громкоговорителя подразумевает высокую величину тока. Чтобы избежать излишнего нагрева кабеля, плотность тока не должна превышать G= 5... 10 А/мм2. Для кабелей большого диаметра целесообразно выбирать меньшее значение, поскольку они обладают менее эффективным теплорассеянием. При расчете по максимальной плотности тока G результирующее минимальное поперечное сечение проводов составит... Эти условия показывают, что низкоомный метод требует создания постоянных соединений громкоговорителей с усилителями (см. пример на рис. 4.45). Как правило, задаются максимальная длина и минимальное поперечное сечение соединительной линии. Для большинства случаев это означает, что усилители мощности не могут устанавливаться централизованно. В больших системах их необходимо устанавливать вблизи громкоговорителей.

ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕГРУЗКИ

Современные усилители мощности, как правило, целиком выполнены на транзисторах. По сравнению с ламповыми усилителями, имеющими плавную характеристику искажений на пиках амплитуды, характеристика транзисторных усилителей имеет крутой изгиб, что, соответственно, приводит к резкому ограничению передаваемого сигнала, называемому клиппированием (clipping) (рис. 4.46а).

Такое ограничение приводит к очень сильным искажениям, которые, вследствие их неожиданного появления, хорошо заметны, и кроме того, могут стать причиной повреждения высокочастотных систем. В связи с этим системы с транзисторными усилителями мощности для высококачественных передач рассчитывают таким образом, чтобы они выдерживали кратковременные пики перемодуляции до 10 дБ. Для этого в них закладывается соответствующий запас уровня перегрузки [4.52]. Это означает, что при разработке системы для получения желаемого уровня нужно закладывать в расчетные данные десятикратную мощность. Чтобы сократить высокие расходы, при расчете электрической схемы часто вводят аппроксимацию характеристики лампового усилителя. Поскольку такие цепи часто создаются как интегральные схемы в миниатюрном гибридном исполнении, усилители такого рода называют также гибридными усилителями В других конструкциях используются дополнительные регулирующие усилители, которые препятствуют появлению неожиданных искажений. Такие усилители, плавно уменьшающие усиление при появлении пиков перегрузки, называют ограничителями (лимитерами) (рис. 4.46 Ь). У них сравнительно малое время срабатывания; регулирующие усилители с большими значениями постоянной времени используются для компрессии звукового сигнала.

В усилительных установках большой мощности наряду с ограничителями применяются переключающие схемы защиты от перегрузки; если происходит перемодуляция, они значительно уменьшают выходную мощность, предупреждая таким образом повреждение громкоговорителей. Использование ограничителей может снизить опасность перемодуляции для усилителей и громкоговорителей примерно на 10 дБ, поэтому они широко используются в больших мобильных системах для рок- и поп-музыки.

УСИЛИТЕЛИ С ПРОЦЕССОРАМИ (КОНТРОЛЛЕРАМИ)

Еще один способ защиты от перегрузки - использование процессоров, встраиваемых в усилители мощности. Как показано на рис. 4.47, измерение проводится в определенной точке, например, внутри схемы усилителя, на выходе усилителя, на подвижной катушке или диффузоре громкоговорителя. Результат измерения вводится в процессор и сравнивается с входным или опорным значением. Измеряемыми параметрами могут быть уровень, увеличение температуры подвижной катушки, ход диффузора или величина искажений. Если измеренные параметры намного отличаются от предварительно определенных максимумов, уровень или частотная характеристика выходного сигнала соответствующим образом корректируются до восстановления правильного рабочего значения.

Эти процессоры лучше всего применять для прямого сопряжения усилителя мощности и громкоговорителя. При использовании активных кроссоверов, то есть кроссоверов, установленных перед усилителем мощности, процессоры тоже могут влиять на перераспределение энергии между различными частотными диапазонами.

Такие системы делают возможным достижение сравнительно высоких коэффициентов использования усилителей. Однако их действие может сопровождаться компрессией выходного сигнала, а это не всегда приемлемо с художественной точки зрения.

Сегодня все большее распространение получает процессорное управление усилителями с помощью внешних компьютеров, что делает возможным предварительное программирование.

КРОССОВЕРЫ

Чтобы избежать нежелательной интерференции и перегрузки в высокочастотных системах в области перекрытия частотных полос громкоговорителей, перед громкоговорителями устанавливают фильтры, имеющие крутизну характеристики 6, 12, 18 или 24 дБ/октава. В хороших многополосных громкоговорителях ставятся фильтры с крутизной склонов не менее 12 дБ/октава.

Если усилители мощности предназначены для громкоговорителей, работающих в разных частотных диапазонах, кроссоверы должны устанавливаться перед усилителями мощности. Это обеспечивает выполнение конкретных требований к уровням между громкоговорителями, причем импеданс громкоговорителей не влияет на кроссовер. Такие кроссоверы называют активными кроссоверами, они позволяют оптимизировать ограничители, усилители и защиту от перегрузки для каждого частотного диапазона. Разделение общего частотного диапазона с выбором разных значений времени срабатывания и пороговых уровней делает процессы управления менее заметными для слушателя.

Пассивные кроссоверы используются в основном для громкоговорителей, помещенных в один общий корпус, и являются составной частью системы громкоговорителей, они могут быть оптимизированы самим производителем

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЗВУКОМ

Важная задача современной техники звукоусиления - акустическое покрытие площади больших культурных центров (например, драматических и оперных театров, концертных и спортивных залов). Для каждого из этих центров требуется определенный комплект собственного оборудования, который зависит от размера и статуса зала. В этой главе рассматриваются типы используемых технических средств, представленные на структурной схеме системы

РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ВХОДНЫХ СИГНАЛОВ

Распределитель входных сигналов (коммутационная панель) требуется для работы с большим числом линий от источников сигналов больших систем, поскольку постоянное подключение к входам микшерного пульта не оправдано экономически и затрудняет мониторинг и управление. Источники подключаются к входам микшерного пульта (или пультов) через распределительную панель заранее, до начала любого события (в ряде случаев и во время события). В больших системах часто должна предусматриваться возможность работы более чем со 100 микрофонными линиями [4.54]. Только небольшое число линий должно иметь прямое соединение с микшерными пультами.

В состав стойки, содержащей входную распределительную панель, часто входят блоки питания конденсаторных микрофонов.

Если микрофоны предполагается использовать для радио- и телевизионных трансляций или если поступающие с микрофонов сигналы предназначены для озвучивания других частей здания, применяют усилители-распределители. В большинстве случаев они распределяют сигнал низкого уровня максимум для четырех пользователей. Число микрофонных усилителей-распределителей, а иногда и распределительных трансформаторов, зависит от числа микрофонов, используемых во время представлений. Обычно их бывает от 20 до 30, но порой может быть и до 60.

Выходы всех передающих линий и звукозаписывающих устройств (кроме микрофонных линий) подводятся к входной распределительной панели. В определенных случаях (для микшеров с переключаемыми входами) некоторые студийные магнитофоны, а также часто используемые микрофоны подключаются к микшерным пультам непосредственно. Входная распределительная (коммутационная) панель нередко дополняется произвольно подключаемыми микрофонными фильтрами или частотными корректорами для устранения искажений тембра или положительной обратной связи в цепях некоторых микрофонов перед подачей их сигналов на микшерный пульт, поэтому если сигналы во время представления перераспределяются, не потребуется изменять подключение фильтров.

В связи с большим числом источников звука входные распределительные панели часто выполняются в виде шнуровых коммутационных панелей.

В настоящее время используются многокаскадные цепи коммутации и распределения цифровых сигналов с компьютерным управлением. Для коммутации часто используемых источников (например, в театрах) применяют все чаще шинные группы и параллельные или матричные коммутаторы.

Микшерные пульты

В соответствии со схемой звукоусиления после входной распределительной панели располагается один или несколько микшерных пультов. Один из таких пультов находится в центральной аппаратной {аппаратной звукового мониторинга). Если имеется несколько микшерных пультов, то помимо прочего они используются для предварительного микширования или для работы со звукозаписывающими устройствами, в том числе для согласования уровней записываемых сигналов и записи программы. Второй микшерный пульт часто размещают в зале, в наиболее акустически репрезентативном месте. Здесь окончательно контролируется баланс выходного сигнала, поскольку оценить акустическое состояние и общее качество звука возможно только в самом зале. (Эксперименты с управлением выходным сигналом с помощью одной или нескольких "искусственных голов" [4.55] не дали желаемого эффекта.)

Микшерный пульт в зале особенно необходим, если представлению предшествует лишь небольшая репетиция и при этом используются большое число микрофонов и сложная система размещения громкоговорителей. Такие условия характерны для залов универсального назначения. В небольших залах, которые обслуживает несколько человек, управлять всем представлением можно с помощью находящегося в зале микшерного пульта.

Недавно на репетициях драматических спектаклей или во время музыкальных представлений начали пользоваться мобильными звуковыми микшерами, размещаемыми в зале. Подобные устройства могут потребоваться и в концертных залах - в особых случаях (например, при исполнении электронной музыки) пульт должен устанавливаться без прокладки дополнительных кабелей [4.56, 4.57].

На очень больших представлениях специальный пульт для мониторинга размещают непосредственно на сцене. Оркестрам и вокально-инструментальным группам часто требуется микшерный пульт вблизи сцены для установления баланса между исполнителями.

Звуковые микшерные пульты, которые используют в малых и средних залах универсального назначения и устанавливают в аппаратной, а управляют звуком в зале, обычно имеют от 24 до 32 входов. Эти входы в ряде случаев можно переключать для согласования с высоко- и низкоомными источниками. Входные цепи имеют предусилители, контроллеры уровня и часто фильтры для согласования сигналов.

Микшерные пульты обычно обеспечивают двухступенчатое микширование с применением контроллеров уровня, фильтров и бустерных усилителей, что позволяет регулировать уровни отдельных источников и группового микширования до установки общего баланса звука. Для этого часто используются восемь групповых шин и четыре основных выхода. Необходимо, чтобы групповые шины могли переключаться между выходами и вспомогательными линиями, это обеспечит, например, введение в программу спецэффектов или контроль групп громкоговорителей. Должны иметься также "кольца" (обратные линии эффектов), которые используются, например, для реверберации или управления спецэффектами. Кроме групповых выходов следует предусмотреть возможность подключения отдельных линий к выходам предварительных усилителей. Это позволит, в частности, производить индивидуальную регулировку уровней.

В залах универсального назначения и концертных залах предпочтение отдается трехступенчатым микшерным пультам. В театрах для создания звуковых эффектов обычно достаточно двухступенчатых пультов.

Увеличение числа каскадно соединенных усилителей, возможное, например, при последовательном соединении нескольких многоступенчатых микшерных пультов, угрожает недопустимым падением отношения сигнал-шум на выходе системы. Этот недостаток исключен в современных автоматизированных микшерных пультах, в которых общая регулировка уровня звука осуществляется только во входной ступени пульта, хотя уровни в отдельных ступенях регулируются индивидуальными регуляторами. Для этого во входной ступени устанавливают усилитель, управляемый напряжением, цифровой контроллер уровня [4.56] или резисторный блок с оптоэлектронным управлением. Эти микшерные пульты должны быть оборудованы специальными цепями для групповых выходов.

Такие микшерные пульты (многие из них полностью цифровые) обеспечивают программируемое управление, что позволяет, например, предварительно устанавливать величину затухания и, если применяются соответствующие распределительные устройства и управляемые фильтры, назначать пути прохождения сигнала и частотные характеристики.

Следует различать статическое и динамическое управление. Статическое дает возможность вводить предустановки для всех процессов управления, осуществляемого подачей одной команды (это может быть нажатие на кнопку, установка интегральной карточки памяти или диска). При динамическом управлении можно непрерывно изменять установки во время представления. Если используется статическая система, оперативное управление должно выполняться вручную.

Статическое "автоматическое" управление дает огромные преимущества. Особенно театрам, когда для одного представления последовательность установок в звуковой системе часто остается неизменной долгое время - звукоинженер освобождается от многих рутинных работ. В "живом" представлении, помимо этого, можно одновременно манипулировать воспроизведением звука в соответствии с поведением актера - оставить звучание без изменения, прервать его либо изменить. Если необходимо повторно использовать установки, можно сохранить в памяти значения, подвергшиеся изменениям.

Для динамического автоматического управления требуется использование в звуковом канале определенной хронологической последовательности запрограммированных установок (так же, как это необходимо в технике звукоусиления, например, при заданных конфигурациях панорамирования звука или воспроизведения электронной музыки). Но в "живом" представлении такая система может вызвать проблемы, если отсутствует план действий при возможных изменениях программы. Динамическое автоматическое управление наиболее предпочтительно при производстве многодорожечных записей, где можно обойтись без входных и групповых шин.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ

Выходная распределительная панель устанавливается после микшерных пультов. Она обеспечивает работу со всеми главными, групповыми и индивидуальными выходами микшерных пультов системы. Линии между микшерными пультами, а также линии, часто используемые для реверберации и специальных эффектов, обычно подключают непосредственно, а не через выходную распределительную панель.

ЛИНИИ МОЩНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Линии мощных усилителей, подающих сигналы на отдельные группы и подгруппы громкоговорителей, обычно распределяются с помощью усилителей-распределителей, параллельных или матричных коммутаторов. Устройства задержки, если они используются, подсоединяют к выходу или (для многоканальной задержки) к выходам микшерного пульта. С выходов этих устройств сигналы через распределительный матричный коммутатор подаются на усилители мощности, подключенные постоянно или коммутируемые вручную. Если используется многоканальная система задержки, например, Deltastereophony System [4.57], матричный коммутатор выполняет роль микшерной матрицы.

Фильтры для коррекции частотной характеристики громкоговорителей устанавливают в цепях усилителей мощности после выходного распределителя. В больших системах перед усилителями мощности или группами усилителей имеются дистанционно управляемые регуляторы громкости. Они необходимы для дискретного переключения уровня (например, с шагом 3 дБ), управляют ими со звукового пульта зала и часто из аппаратной мониторинга. Они обеспечивают раздельную регулировку уровня для каждой группы громкоговорителей без применения выходных регуляторов уровня микшерного пульта (при использовании системы задержки это было бы вообще невозможно). Это важно и для достижения баланса между громкоговорителями звуковой системы и громкоговорителями эффектов. В цепях распределения выходного сигнала перед усилителями мощности можно устанавливать дистанционно управляемые коммутаторы, которые позволяют распределять сигналы между усилителями мощности и, следовательно, между громкоговорителями, в результате чего в распределенных системах звукоусиления создаются акустические эффекты перемещения звука (панорамирования). Чтобы исключить коммутационный шум и обеспечить возможность параллельного применения других систем регулирования, например, автоматического регулирования освещения, в качестве переключающих устройств используют усилители, управляемые с помощью напряжения, цифровые контроллеры уровня или оптоэлектронные устройства сопряжения [4.58]. Соответствующие переключающие устройства могут использоваться и на мощной стороне (см. ниже).

УСТРОЙСТВА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МОЩНОСТИ

После усилителей мощности никакие дополнительные средства распределения сигналов на основные группы громкоговорителей и группы громкоговорителей системы звукоусиления помещения не используются. Группы сценических громкоговорителей и, в определенных условиях, группы или отдельные громкоговорители спецэффектов могут включаться между различными усилителями мощности. Соответствующие коммутаторы могут служить для активации редко используемых линий, предназначенных для подсоединения мобильных громкоговорителей или для подачи, например, с системы задержки на определенные громкоговорители специальных компонент сигнала. В составе устройства распределения мощности тоже имеются панорамные коммутаторы, которые устанавливаются на мощной стороне и позволяют отключать от большой группы громкоговорителей отдельные громкоговорители и подключать их к специальному усилителю мощности. Это осуществляется в определенной последовательности, что обеспечивает плавную нагрузку усилителя мощности, предназначенного для панорамной группы. При выполнении последовательного переключения всегда сначала отключается громкоговоритель и только затем подключается другой. Управление этим процессом осуществляется с помощью специального устройства, размещаемого в микшерном пульте зала, а в театре - в пульте управления, предназначенном для мониторинга [4.54].

ВЫХОДЫ ДЛЯ ДРУГИХ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ

Выходная распределительная панель не только соединяет группы громкоговорителей, используемых для озвучивания залов, но и служит для подсоединения линий к таким устройствам, как система сцены, система для плохо слышащих, коммутационная аппаратная.

СИСТЕМЫ ЗВУКОУСИЛЕНИЯ В ТЕАТРАХ

Система звукоусиления театра - это пример крупной системы, предназначенной для создания художественных спецэффектов. В аппаратной вследствие большого числа стационарных и мобильных групп громкоговорителей должна обеспечиваться возможность работы с множеством независимых звуковых каналов (см. раздел 6.6.1). Сегодня в театрах среднего размера часто используют двухступенчатые микшерные пульты. Пульты имеют не менее 24 входов, которые могут подключаться к различным источникам. Чтобы обеспечить индивидуальную обработку сигналов отдельных источников, эти входы связывают с групповыми выходами, число которых может колебаться от 4 до 24. По крайней мере восемь предварительно микшированных программ должны быть доступны через шины с тем же числом выходов. Эти выходы соединяются с матричными коммутаторами-распределителями, имеющими дистанционное управление. Последняя ступень, включаемая вслед за выходной распределительной панелью, содержит дистанционно управляемые аттенюаторы и фильтры адаптации к помещению (см. раздел 4.6.5.3). В качестве усилителей мощности часто используют усилители мощностью 100 Вт на базе 100-B техники, но в настоящее время все более широко применяются усилители юльшей мощности, рассчитанные в основном на низкоомную нагрузку.

Группы основных громкоговорителей и часто используемые сценические ромкоговорители постоянно подключены к усилителям мощности. Остальные ценические громкоговорители, а также все прочие мобильные ромкоговорители часто подключают к усилителям мощности с помощью аспределителей мощности, устанавливаемых на сцене, ромкоговорители для спецэффектов, размещенные на стенах, а во многих лучаях на потолке, включаются через специальное переключающее устройство - вышеописанный панорамный коммутатор, но возможны и другие соединения. В случае необходимости между микшерными пультами и выходом распределителя могут быть введены устройства задержки.

ЗВУКОУСИЛЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ УДАЛЕННЫХ ИЛИ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ АППАРАТНЫХ

Часто требуется озвучивать такие крупные комплексы, как спортивные центры и выставочные центры с павильонами и площадками на открытом воздухе, отели с фойе и ресторанами, железнодорожные станции с залами ожидания, платформами и различными предприятиями. В этих случаях необходимо передавать центральную программу звуковоспроизведения для всего комплекса, а также индивидуальные программы для различных зон. Центральная программа может передаваться через одну из удаленных аппаратных.

Такие звуковые системы обычно состоят из центральной студии и нескольких вспомогательных станций, которые могут работать независимо друг от друга. Вспомогательные станции могут включаться и выключаться из центральной аппаратной с помощью схемы отключения, а также схем дистанционного управления.

ОБОРУДОВАНИЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЗВУКОВОЙ СТУДИИ

Основным элементом системы звукоусиления в центральной звуковой студии является микшер. В малых системах он может состоять из усилителя с функцией микширования или микшера с каскадами усиления мощности. Системы среднего размера требуют оборудования стоечного типа, а большие - наличия малого или среднего микшерного пульта.

Программные источники в большинстве случаев постоянно соединены с микшером. В очень больших системах с децентрализованными программными компонентами, управляемыми из центральной студии, необходим входной коммутатор-распределитель. Обычно это коммутационное устройство с кнопочным управлением. Программные передатчики, соединенные с микшерным или подключающим устройством, содержат:

• одну или несколько систем оповещения, которые либо включаются из

центральной аппаратной либо имеют определенный приоритет включения;

• программный передатчик с одним или несколькими монофоническими

устройствами воспроизведения (в основном это MPEG-проигрыватели или

до сих пор используемые кассетные магнитофоны или магнитофоны с

"бесконечной" петлей ленты) и радиотюнер;

• если необходимо, систему аварийной эксплуатации для всего комплекса или

отдельных его частей. Она подключается к системе громкоговорителей с

помощью схемы обхода (см. раздел 4.5.3) и имеет приоритет перед всеми

другими передающимися программам и регуляторами громкости, которые

могут быть включены в линии. Аварийное оборудование обычно содержит

запоминающие устройства (кассетные и цифровые), на которые записываются различные объявления (некоторые из устройств содержат "бесконечную" петлю ленты). Это оборудование требует специального технического обслуживания и контроля. Часто оно содержит аккумуляторные системы аварийного электропитания, которые могут обеспечить бесперебойную работу всей системы в течение определенного времени - например, 15-30 минут.

Дентальный микшер обычно подключается через выходной коммутатор-распределитель к усилителям мощности и вспомогательным аппаратным с помощью соответствующих соединительных линий.

ОБОРУДОВАНИЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ СТАНЦИИ

На вспомогательной станции обычно устанавливается достаточно простое оборудование, состоящее часто из одной или двух систем оповещения для определенной зоны. В отелях и ресторанах применяют также MPEG- или CD-проигрыватели, а также кассетные магнитофоны, воспроизводящие музыкальные программы. Если в зону охвата вспомогательной станции входит небольшой холл или платформа с музыкальным оборудованием, может использоваться расширенный комплект оборудования. Для этого на вспомогательной станции имеется возможность подготовить собственную программу передачи. Эта программа будет передаваться в центральную студию и далее распределяться как центральная программа.

Поэтому вспомогательная станция должна иметь собственный микшерный пульт или другое микшерное оборудование.

На стороне воспроизведения вспомогательные станции содержат усилители мощности и громкоговорители, которые необходимы для озвучивания соответствующей площади.

ЦЕПИ ПРИНУДИТЕЛЬНОГО ОБХОДА

В распределенных системах звукоусиления имеются индивидуальные регуляторы уровня и устройства отключения, с помощью которых регулируется уровень воспроизведения звука в соответствии с реальной необходимостью и с учетом уровня внешнего шума. Эти устройства обычно устанавливают на мощной стороне усилителей. Чтобы важные объявления или предупреждающие сигналы были хорошо слышны, с помощью цепей принудительного обхода должны быть обойдены контроллеры-аттенюаторы.

Как можно видеть на рис. 4.49, при обычной работе сигнал на громкоговоритель подается по двухпроводной цепи. На вторичной обмотке трансформатора потенциометр обеспечивает возможность уменьшить громкость или отключить громкоговоритель.

При активации цепи принудительного обхода регулятор на стороне фомкоговорителя закорачивается с помощью переключающего реле. Для этого во время монтажа системы наряду с питающей линией прокладывают два дополнительных провода. Перед использовавшимися раньше трехпроводными системами данная схема имеет преимущества: обеспечивается надежное уменьшение уровня сигнала или его отключение во время обычной работы без коммутационного шума; положение регулятора громкости громкоговорителя не влияет на уровень сигнала в режиме обхода.

Приборы обработки

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЗВУКА

Различные устройства обработки звука, применяемые во время студийной записи, важны и в технике звукоусиления. Они используются для улучшения разборчивости, уменьшения опасности положительной обратной связи и регулировки или коррекции звукового баланса.

УСТРОЙСТВА ЗАДЕРЖКИ

Часто именно устройства задержки обеспечивают успешное звукоусиление. Они задерживают электрические сигналы и таким образом исключают мешающее эхо даже при использовании широко разнесенных громкоговорителей. Некоторые проблемы звукоусиления, которые удалось решить благодаря методу задержки, описаны в главе 6. В этом разделе рассмотрено техническое построение устройств задержки.

Первые устройства задержки увеличивали время прохождения звука с помощью узких труб [4.59], однако при этом изменялся тембр и, следовательно, качество передачи не было высоким. Позднее магнитофоны с «бесконечной» петлей магнитной ленты, в которых для задержки звука использовалось несколько головок — одна записывающая и одна или несколько воспроизводящих, в некоторой степени позволили решить проблему качества. Благодаря этим магнитофонам стало возможным практически на любое время задерживать сигналы, изменяя скорость ленты и расстояние между головками. К недостаткам таких магнитофонов можно отнести сравнительно низкое отношение сигнал-шум, быстрый механический износ ленты и головок, а главное — внезапный выход из строя всего аппарата в случае обрыва ленты. Чтобы избежать основного недостатка, были разработаны специальные устройства, предусматривающие автоматическое переключение на режим обхода или дежурный режим.

Из-за больших затрат на техническое обслуживание и низкой надежности эти устройства не получили широкого распространения. Они применялись главным образом во временно устанавливаемых системах для озвучивания крупных событий.

Электронные устройства задержки звукового сигнала были разработаны в начале 1970-х годов. Вначале появились триггерные устройства на МОП-транзисторах [4.60], позднее — цифровые устройства задержки [4.61]. В первых моделях цифровых устройств оцифрованный во входной части сигнал подавался на регистр сдвига, управляемый тактовыми импульсами. Время задержки определялось временем нахождения сигнала в этом регистре. Задержанный сигнал вновь преобразовывался в аналоговую форму и поступал на выход. Наименьшее время задержки в таком устройстве определялось тактовой частотой (частотой дискретизации), наибольшее время задержки — тактовой частотой и длиной регистра. На рис. 4.50 изображена структурная схема данного устройства. Компьютерная обработка оцифрованного сигнала, используемая в современных устройствах задержки студийного качества, обеспечивает автоматическое управление временем задержки, а также коммутацию без шумов благодаря разделению времени задержки на очень малые шаги квантования. На рис. 4.51 представлена базовая структурная схема такого устройства задержки.

УСТРОЙСТВА ДЛЯ СПЕЦЭФФЕКТОВ

Применяемые в методе цифровой задержки добавление или пропуск бит, изменения тактовой частоты могут быть использованы и для создания разнообразных звуковых спецэффектов.

Уменьшая или увеличивая тактовую частоту, можно соответственно понижать или повышать тон звука. По данным [4.50], этот метод позволяет изменять высоту тона в диапазоне до трех октав (от +1 до —2). На рис. 4.52 изображена базовая структурная схема такого устройства, называемого гармонайзером. Как следует из рисунка, можно микшировать задержанный и не задержанный сигналы в необходимых пропорциях. Часть сигнала можно возвращать для создания эффектов итераций (повторений) и эха.

С помощью устройства можно независимо воздействовать на частоту и растяжку звуковых сигналов во времени. Для этого сигнал записывают и воспроизводят с различной частотой считывания. Важное значение эта процедура имеет для стабилизации высоты тона в запоминающих устройствах, работающих с переменной скоростью. Стабилизация высоты тона требуется для воспроизведения аккомпанемента на «живых» представлениях, где скорость действия меняется.

Малые сдвиги высоты тона раньше применялись в так называемых подавителях обратной связи для уменьшения возможности возникновения положительной обратной связи в системах звукоусиления [4.4]. Эти устройства сейчас используются редко, так как они могут изменить тембр звучания, однако находят применение в электронной музыке или для создания эффектов фазирования, фланжирования и Лесли.

Для создания эффекта фазирования часть сигнала отводится и направляется на фазовые корректоры (all-pass networks), где данный сигнал подвергается переменному фазовому сдвигу. После объединения компонент возникают негармонические нули (гашение сигнала). Число нулей зависит от числа фазовых корректоров [4.50]. Создаваемый таким образом эффект — это биения фазы за счет вибрато.

Эффект фланжирования достигается с помощью изменения задержки одной компоненты сигнала по отношению к незадержанной компоненте. Это вызывает искажения типа гребенчатого фильтра, то есть нули с гармоническим отношением частот. На практике время задержки составляет от 2 до 20 мс. При меньшем значении времени задержки эффект уменьшается. Дальнейшего усиления эффекта можно достичь, использовав итерацию — обратную связь, и повторную обработку объединенного сигнала. Результат воспринимается на слух как «поворот» или «вращение» тембра.

Эффект Лесли базируется на эффекте Доплера, и его тоже можно создать посредством вращения громкоговорителей.

Все упомянутые эффекты сегодня создают с помощью устройств цифровых спецэффектов, подобных описанным выше.

РЕВЕРБЕРАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА

В отличие от устройства задержки, которое лишь повторяет сигнал с задержкой, без изменения амплитуды и фазы, ревербератор добавляет к исходному сигналу дополнительные и задержанные повторы звука. Эти повторы, кроме того, некогерентны с исходным сигналом, и их плотность и затухание во времени возрастают. Длительность создаваемого таким образом процесса затухания должна быть по возможности переменной. То же относится и к частотной зависимости: обычно ожидают, что на более высоких частотах будет происходить более быстрое затухание.

Длительность слышимого процесса затухания субъективно воспринимается как длительность реверберации. Время, требуемое для затухания сигнала от исходного уровня до —60 дБ, называют временем реверберации, даже если процесс затухания тонет в шумах. Ревербераторы должны обеспечивать изменение времени реверберации сигнала в помещении от 1 до 5 секунд.

Чтобы исключить изменение тембра, необходимо обеспечить достаточную плотность пиков частотной характеристики (связанную с плотностью собственных частот). Слух человека в наибольшей степени восприимчив к изменениям тембра в диапазоне частот от 800 Гц до 1 кГц. По данным [4.24] на этот диапазон должно приходиться по крайней мере три пика частотной характеристики (основных частот) на один герц полосы, на более высоких и низких частотах плотность может быть меньше.

В технике звукоусиления реверберационные устройства требуются и для создания так называемого реверберационного хвоста. Применяются они также для добавления реверберации к сигналам, полученным с помощью установленных непосредственно на музыкальных инструментах датчиков. В этом случае улучшается эстетическое восприятие звука. Различные типы реверберационных устройств описаны ниже.

РЕВЕРБЕРАЦИОННЫЕ КАМЕРЫ (ЭХО-КАМЕРЫ)

Первыми профессиональными средствами, которые использовались для искусственной реверберации звуковых сигналов, были сравнительно маленькие камеры с преимущественно жесткими поверхностями. Сигналы, подвергающиеся реверберации, вводились в них с помощью громкоговорителей, а результирующие сигналы принимались микрофонами. Желаемое распределение и соответствующая плотность собственных частот достигались в том случае, если объем камеры превышал 50 м3, а размеры (длина, высота, ширина) имели оптимальное соотношение в пределах, установленных Болтом (Bolt) [4.62]. Несоблюдение этих условий становится причиной неудовлетворительной плотности собственных частот в области низких частот, но этот эффект может быть устранен с помощью введения затухания в этом диапазоне. Одним из преимуществ естественных реверберационных камер является сравнительная простота получения различных некогерентных звуковых сигналов: все, что необходимо — это разнесение микрофонов отдельных каналов на расстояние более 2 м.

Недостаток реверберационных камер, кроме стационарности, — малые возможности изменения времени реверберации. Изменять его можно, только применяя различные материалы, создающие разное акустическое затухание.

ДВУМЕРНЫЕ РЕВЕРБЕРАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА

Плотность основных частот в помещениях возрастает пропорционально третьей степени частоты, но при использовании двумерных реверберационных устройств она увеличивается только в квадрате. То же наблюдается и тогда, когда применяется реверберационная пластина [4.63], разработанная еще в 1950-х годах (позднее использовалась более компактная реверберационная фольга [4.64]). Отсюда следует, что при равных значениях в диапазоне средних частот результирующая плотность основных частот на более низких частотах оказывается выше, чем в помещении, а на более высоких — ниже [4.24].

Реверберационная пластина, которая часто используется и сегодня, представляет собой подвешенную без механического напряжения гибкую пластину из высококачественной стали квадратной формы и площадью около 2 м2. Пластина возбуждается с помощью электродинамической системы и вибрирует на своих собственных частотах. Эти вибрации воспринимаются контактными преобразователями. Время реверберации можно достаточно легко изменять, перемещая звукопоглощающую пластину, параллельную колеблющейся пластине: чем меньше расстояние между ними, тем больше энергии отбирается от колеблющейся пластины и тем короче становится время реверберации. При малом демпфировании пластина имеет большое время реверберации в диапазоне низких частот, уменьшающееся с увеличением частоты. Эта характеристика подобна той, что свойственна естественным помещениям. С увеличением демпфирования частотная характеристика линеаризуется (рис. 4.53).

Для уменьшения размеров вибрирующего элемента была разработана реверберационная фольга. Это золотая фольга толщиной 18 мкм и размером около 300x300 мм, высокочувствительная и поэтому хорошо защищенная от внешних воздействий. Ее помещают в двойной корпус и снабжают несколькими изолирующими элементами, предохраняющими от воздействия структурного шума. Фольгу можно располагать даже в звуковой аппаратной рядом с контрольными громкоговорителями, не опасаясь возникновения положительной акустической обратной связи.

Демпфирование реверберационной фольги осуществляется точно также, как и реверберационной пластины — вблизи нее помещают абсорбирующий слой. Но, в отличие от реверберационной пластины, в фольге в диапазоне низких частот достигается лишь незначительное увеличение времени реверберации по сравнению со средними частотами. Этот эффект часто оказывается положительным, поскольку в этой области исключаются изменения тембра [4.64].

Некогерентные выходные сигналы можно получить как с помощью реверберационной пластины, так и реверберационной фольги, для этого в разных местах устанавливают несколько датчиков-приемников сигнала.

ОДНОМЕРНЫЕРЕВЕРБЕРАЦИОННЫЕУСТРОЙСТВА

В одномерных реверберационных устройствах, которые широко использовались в течение длительного времени, применялись спиральные пружины. Принцип действия однопружинного ревербератора заключается в следующем. Электрический сигнал звуковой частоты возбуждает крутильные механические колебания датчика; эти колебания передаются по пружине, и через время, обусловленное ее механическими свойствами, достигают приемника, отражаются от него и возвращаются к датчику, затем снова к приемнику и т.д., постепенно ослабевая. Приемник преобразует механические колебания в электрические сигналы. Задержанные и постепенно ослабевающие сигналы на выходе приемника имитируют процесс затухания звука в помещении.

В простом однопружинном ревербераторе эти сигналы образуют периодическую последовательность, прослушивание которой характеризуется эффектом гребенчатого фильтра. Поэтому в практических конструкциях используется несколько однопружинных систем с пружинами различной длины, а иногда и с произвольно расположенными неоднородностями, разрушающими периодичность задержанных сигналову приемника [4.65,4.66]. Некогерентные выходные сигналы создают с помощью дополнительных, одновременно возбуждаемых пружинных систем.

ЦИФРОВЫЕ РЕВЕРБЕРАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА

Как и устройства задержки и спецэффектов, цифровые реверберационные устройства основаны на методах цифровой задержки сигнала. Сигнал возвращается на вход линии задержки через цепь обратной связи. Причем величина сигнала определяется затуханием в этой цепи. Поскольку одна цепь обратной связи образует только гармонические основные частоты, как в одномерном реверберационном элементе, для исключения искажений типа гребенчатого фильтра необходимо объединить петли с разным временем задержки. Однако удовлетворительные результаты не могут быть достигнуты. Не помогает даже использование большого числа цепей и дополнительная установка фазокорректирующих фильтров перед точками объединения для устранения когерентности отдельных компонент сигнала. В результате приходится применять дополнительное процессорное управление, чтобы избежать повторения подобных последовательностей амплитуд и фаз в течение длительного времени. Для этого требуется процессор очень большого быстродействия, способный, в соответствии с программами управления, переопределять затухание в петлях, а также их сопряжение [4.67]. Часто в устройстве бывает несколько выходов некогерентных сигналов.

Современные устройства (симуляторы помещений) позволяют не только воздействовать на частотную характеристику времени реверберации, но и задерживать реверберацию и вводить одиночные отражения с разным затуханием (рис. 4.54). Некоторые устройства обеспечивают процессорное управление не только затуханием, но и моделированием помещения, во многих случаях вместе со спецэффектами (это, в свою очередь, позволяет создавать спецэффекты, которые не могут быть созданы в реверберационных комнатах или с помощью механических реверберационных устройств). Эти устройства делают возможными процессы с крайне большим и частотно-независимым временем реверберации. Благодаря так называемым эффектам замораживания можно сохранять звук и осуществлять наложение новых звуков. Более того, становится возможным создание таких эффектов, как затухающее многократное эхо и стереофазирование.

Выбирая соответствующее программное обеспечение и современные устройства с компьютерным управлением можно достичь, в отличие от первых программ с фиксированной реверберацией, очень хороших результатов, соответствующих любым требованиям.

АНАЛОГОВЫЙ ПРОЦЕССОР ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ РАЗБОРЧИВОСТИ

Если перемодулировать сигнал и затем выделить из всех гармоник с помощью фильтрации только те, которые соответствуют основной частоте исходного сигнала, а потом снова объединить их пропорционально входному сигналу, то получится сложный сигнал. Структура этого сигнала существенно богаче гармониками, то есть он заметно отличается от исходного сигнала, становясь более прозрачным, чистым и разборчивым.

Процессор, работающий по такому принципу, был разработан для военно-морского флота США с целью улучшения разборчивости речи в зашумленной среде без увеличения уровня полезного сигнала [4.27]. Как показывает рис. 4.55, при использовании данного метода процент правильно понятых слов, по сравнению с необработанным сигналом, заметно возрастает. Чтобы получить такие же результаты для необработанного сигнала, его уровень пришлось бы увеличить на 6...8 дБ.

Такой процессор не только экономичен (та же степень разборчивости может быть достигнута при значительно меньшей мощности), но и обладает рядом акустических преимуществ. Одно из них — частичное уменьшение проблемы положительной акустической обратной связи в системах звукоусиления, благодаря чему появилась возможность значительно улучшить старые записи, причем с таким качеством, которого нельзя достичь с помощью простого процесса фильтрации.

Такие устройства, предлагаемые компанией Aphex под названием Aural-exciter, часто применялись в системах звукоусиления, а также в студиях звукозаписи и радиостудиях. Варианты устройств различаются главным образом используемым методом демпфирования гармоник [4.68].

ФИЛЬТРЫ

Фильтры, влияющие на амплитудно-частотную характеристику передаваемых звуковых сигналов, относятся к классическим средствам обработки звука. Две основные области применения фильтров:

• оптимизация тембра в рассматриваемом месте приема;

• подавление частот положительной акустической обратной связи.

Оптимизация тембра осуществляется в зависимости от конкретной области применения системы. Например, сбалансированная частотная характеристика во всем частотном спектре может быть желательной для высококачественных систем, предназначенных для передачи музыки (см. главу 7). Но для улучшения разборчивости в системах, предназначенных только для передачи речи, целесообразно снижение уровня в области низких частот и подчеркивание определенных формантов в области примерно 2 кГц [4.69]. Совсем другие требования предъявляются к оптимизации тембра для сценического мониторинга. В больших системах звукоусиления фильтры устанавливают в различных точках. Для управления частотной характеристикой микрофонов и подавления основных частот положительной обратной связи их обычно устанавливают во входном канале микшерного пульта. Однако основная регулировка электроакустической частотной характеристики, которая требуется для компенсации линейных искажений, определяемых местом установки громкоговорителей и акустикой помещения, выполняется с использованием так называемых фильтров адаптации к помещению, которые включаются перед усилителями мощности.

Фильтры почти всегда уменьшают максимально возможный уровень звука. Поэтому при разработке системы необходимо вводить соответствующие резервы мощности.

Существуют два основных типа фильтров: пассивные и активные. Пассивные фильтры работают без дополнительного электропитания, поэтому они не дают возможности усилить уровень и не уменьшают отношение сигнал-шум. Активные фильтры, которые более широко распространены, имеют меньшие размеры, они дешевле, в настоящее время такие фильтры используются преимущественно в студийном оборудовании.

Еще одна отличительная особенность фильтров — влияние демпфирования на их частотную характеристику. Различают фильтры с постоянной величиной а и фильтры с неизменной полосой частот (рис. 4.56) [4.70].

Используются различные конструкции фильтров, выбор определяется их стоимостью, уже имеющимся оборудованием и тем, насколько они просты или сложны в применении. Основные конструкции, используемые в технике звукоусиления, будут кратко рассмотрены ниже.

Недавно появились микропроцессорные устройства, получившие название контроллеры обратной связи, которые вводят частотно-зависимое затухание в характеристику при таких проявлениях положительной обратной связи, как изменения тембра, эффекты реверберации и флуктуации уровня звука. Автоматические фильтры включают в отдельные микрофонные каналы, они позволяют увеличить запас устойчивости к возникновению положительной обратной связи до 15 дБ [4.71].

КОРРЕКТОРЫ ВЫСОКИХ И НИЗКИХ ЧАСТОТ (ФИЛЬТРЫ С ПЛОСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ)

Чтобы осуществлять в канале передачи подъем или завал частотной характеристики в области низких и/или высоких частот, используются сравнительно простые комбинации RC или RL элементов вместе с резистивными делителями напряжения. Их часто встраивают непосредственно в усилители мощности или применяют в простых микшерных пультах. Рис. 4.57 показывает,"что крутизна их характеристики зависит от установки режима. Максимально достигаемый уровень подъема зависит от базового затухания, которое для максимального подъема высоких и низких частот на 15 дБ должно составлять около 34 дБ.

Фильтры такого типа имеют лишь ограниченную возможность коррекции частотной характеристики, поскольку недостаточно пригодны к подавлению, например, пиков частотной характеристики или отдельных частот при появлении положительной обратной связи.

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ (КАНАЛЬНЫЕ ФИЛЬТРЫ)

Фильтры, используемые в больших микшерных пультах и отдельных каналах, кроме подъема и завала высоких и низких частот обеспечивают эффект фильтрации с подъемом или завалом частот в узком диапазоне, на средних частотах (обычно в области 1 кГц). Во многих случаях фильтр можно настраивать в заданном частотном диапазоне. Крутизна характеристики фильтра обычно связана с выбранной степенью завала или подъема Режекторные фильтры, имеющие достаточно крутой наклон характеристики, эффективно подавляют отдельные частоты положительной обратной связи без заметного ухудшения тембра, поскольку узкополосная режекция редко бывает заметна в диапазоне основных частот благодаря эффекту маскирования. Более широкополосная коррекция с помощью «фильтра присутствия» используется для усиления определенных гармоник (например, в области 2 кГц [4.69]), что значительно улучшает разборчивость плавной речи, без подчеркивания слов.

МНОГОПОЛОСНЫЕ ФИЛЬТРЫ (ЭКВАЛАЙЗЕРЫ)

С помощью линейки, состоящей из большого числа (от 7 до 30) отдельных полосовых фильтров с полосой 1, 1/2 или 1/3 октавы, позволяющих вводить переменное затухание, можно сформировать почти любую линейную передаточную функцию. Реже для этого используют разную относительную полосу частот. Установка ручек полосковых регуляторов фильтров отражает форму частотной характеристики устройства. Многополосные фильтры такой конструкции поэтому часто называют графическими частотными корректорами (эквалайзерами).

Вводя затухание в отдельные части полосы частот, можно последовательно подавлять несколько частот положительной обратной связи: чем уже полоса отдельных фильтров и выше крутизна их характеристики, тем меньше воздействие на тембр передаваемого сигнала. Более того, такие фильтры пригодны для коррекции изменений тембра, связанных с характеристиками помещения или громкоговорителей. Для этого необходимо вводить различное затухание в несколько расположенных рядом полос частот.

Многополосные фильтры также выпускают в форме, допускающей только уменьшение уровня сигнала (рис. 4.59). Такие фильтры хорошо защищены от ошибок оперирования, поскольку при неправильной регулировке не могут возникнуть ни перемодуляция, ни эффекты маскирования, вызванные такой перемодуляцией.

Специальный тип многополосного фильтра — трансверсальный (поперечный) эквалайзер, в котором фактическая частотная характеристика синтезируется после преобразования Фурье входного сигнала в частотную область. После этого производится обратное преобразование. Это позволяет получить ровные и линейные фазочастотные характеристики [4.72].

ФИЛЬТРЫ С ПРЕДУСТАНОВЛЕННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ

Наряду с регулируемыми фильтрами, которые играют большую роль в технике звукоусиления, применяются простые частотные корректоры с предустановленной характеристикой, позволяющие корректировать повышение давления у диафрагмы микрофона, «эффект близости», а также фильтры ударных звуков (например, звука шагов).

49