лекции_элаизв

Диаграмма направленности громкоговорителя в вертикальной плоскости

При увеличении высоты подвеса громкоговорителя h уменьшается неравномерность звуковoгo поля, однако при этом уменьшается площадь наземного эллипса.

Громкоговорители с прямоугольным рупором имеют разные характеристики направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Эти характеристики также могут быть аппроксимированы эллипсами с эксцентриситетами соответственно ев и ег.

При этом неравномерность звукового поля будет определяться характеристикой направленности в вертикальной плоскости, а размеры наземного эллипса - характеристиками направленности как в вepтикальной, так и в горизонтальной плоскости.

Расчет значений звукового давления

Если вершину эллипса совместить с центром координат, ось u - с большой осью эллипсоида вращения, ось w - с продольной осью выходного отверстия рупора, а ось v - с поперечной, тогда звуковое давление, создаваемое рупорным громкоговорителем в произвольной точке с координатами u, w, v:

где рзв1 - звуковое давление на расстоянии 1 м от рабочего цeнтра излучателя, ег и ев - эксцентриситеты соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

При переходе к декартовой системе начало координат (точка О') этой системы размещают в горизонтальной плоскости и принимается за ноль при отсчете высоты, ось О' х совмещают с проекцией акустической оси громкоговорителя на горизонтальную плоскость.

Расчет уровней поля источников звука

Уровни поля при работе рупорного громкоговорителя рассчитывают на высоте hcл голов слушателей. Для сидящих слушателей она равна 1,2 м, а для стоящих - 1,6 м. Координаты точек а(х, у, z), расположенных в плоскости ушей слушателей, в координатной системе u, w, v определяются выражениями

31

Звуковые колонки обладают в вертикальной плоскости значительно большей направленностью, чем в горизонтальной.

В горизонтальной плоскости направленность звуковой колонки практически не отличается от направленности одиночного громкоговорителя тoгo же типа. Характеристика направленности звуковой колонки аппроксимируется половиной эллипсоида вращения.

В точке с координатами u, w, v звуковой колонкой создается звуковое давление

где рзв1 - звуковое давление на расстоянии 1 м от рабочего цeнтра излучателя, ег и ев - эксцентриситеты в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Значения ег и ев колеблются от 0,9 до 0,976.

Озвучение плоской поверхности звуковой колонкой

Расположим звуковую колонку на высоте h. Наклон акустической оси составит α = arctg (h/l). Озвучиваемая площадь ограничена контуром в форме эллипса.

Акустические уровни на контурной линии равны NaA , а на озвучиваемой поверхности превышают это значение. Значение акустического уровня под звуковой колонкой (в точке О) зависит от высоты подвеса и угла наклона звуковой колонки к озвучиваемой поверхности.

Для равенства акустических уровней в точках О и

А (2 на рис.) высота подвеса

а неравномерность звукового поля Na = 101g 2 е2в Так как для большинства звуковых колонок

ев =0,97...0,98, то h ≈0,25l и ΔNa ≈ 3 дБ.

Максимальный акустический уровень, равный

N a.макс = NaA+3 дБ находится в середине наземного эллипса (точка В). При уменьшении высоты

подвеса уровень звука под колонкой будет больше, чем в т. А`(1).

32

При озвучении открытых пространств одним из требований является локализация звуковoго поля. Стремятся снизить уровень звукового поля за пределами озвучиваемой зоны. Необходимо, чтобы разность хода звуковых волн удаленных друг от друга громкоrоворителей и разность уровней звука, создаваемых ими, обеспечивали незаметность эха. Эхо, образуемое за счет отражений от различных строений, также можно нейтрализовать путем «подзвучивания» дополнительными излучателями с временной задержкой, определяемой расстоянием до громкоговорителя.

Переход от сосредоточенной системы озвучения к зональной или распределенной также помогает снизить эхо.

Радиальный громкоговоритель

В вертикальной плоскости радиальные громкоговори-тели имеют диаграмму направленности грушевидной формы (максимум излучения получается под уrлом α = 60... 80 к вертикали). В горизонтальной плоскости диаграмма не направлена.

При установке радиального громкоговорителя на высоте h давление в точке А определяется как

вт.О

вт.А

При этом неравномерность излучения

Для более сложных систем результирующее звуковое давление, создаваемое всеми громкоговорителями в исследуемой точке равно

Неравномерность озвучения ΔNа = 20lg(рзвΣмакс/рзвΣмин), где pзвΣмакс и pзвΣмин - максимальное и минимальное давления.

Зональные системы

Зональными называют такие системы, в которых озвучиваемая площадь разбивается на ряд зон, в каждой зоне звуковое поле создается отдельными громкоговорителями. Системы обычно применяют для озвучения больших площадей открытых пространств: парков, производственных территорий, улиц (рис.). Однако зональные системы можно использовать в комбинации с сосредоточенной системой, когда последняя не позволяет обеспечить требуемый уровень и заданную неравномерность звукового поля на всей площади, занятой слушателями, например, в залах сложной формы на местах слушателей, расположенных на балконе.

Распределенные системы

Распределенными называют системы, в которых звук к слушателю приходит от всех или большей части громкоговорителей с примерно одинаковым уровнем. Ряд громкоговорителей, расположенных так, что их акустические

33

оси взаимно параллельны и нaправлены в одну сторону, образуют так называемую одномерную или линейную цепочку. Одномерная цепочка составляется из громкоговорителей, расположенных на одной (рис.) или на двух боковых стенах помещения или на потолке в виде одной или двух цепочек.

Двумерная pacпpeделенная система образуется громкоговорителями, расположенными по всему потолку. Распространение получили также распределенная система

кресельных громкоговорителей небольшой мощности (порядка 0,5 Вт), располагаемых в спинках кресел. Уровень звукового поля у слушателя при этом создается в основном своим и соседними громкоговорителями.

В рассмотренных распределенных системах слуховой и зрительный образы не совпадают. Исключением является одномерная цепочка, располагаемая на передней стенке зала. Распределенные системы применяют при озвучении аллей, при звукоусилении в помещениях.

В ряде случаев комбинируют сосредоточенную и распределенную системы звукоусиления.

Озвучение открытых пространств

Используются цепочки ненаправленных и направленных громкоговорителей. Если расстояние r от линейной цепочки ненаправленных громкоговорителей до озвучиваемой поверхности (рис. заштрихованный участок между линиями 1-1' и 2-2') больше половины расстояния между громкоговорителями 2d (шаг цепочки), то неравномерностью поля в направлении, параллельном цепочке (линии 1-1' и 2-2'), можно

пренебречь, т. е. рзвА1 = рзвВ и рзвА1' = рзвВ' В этом случае (r>d) звуковое давление в исследуемой

точке

а неравномерность звукового поля в поперечном направлении (на линиях A- A', B-B')

Если высота подвеса громкоговорителя h>d, то при условии r>d

где b =l − l - ширина озвучиваемой зоны.

При использовании звуковые колонки, расположенные вертикально в расчет линейной цепочки вводят масштабные коэффициенты по осям О-О'

(2d) и О-О'' соответственно в

34

То есть при расчете звукового давления рзв в формулу вместо d

значения r заменить

Борьба с эхо

Большие зоны, где проявляется эхо, могут возникнуть при озвучении длинных улиц. Их можно избежать, используя метод озвучения бегущей волной. Для этого между громкоговорителями включают линии задержки, причем время задержки должно быть равно времени прохождения звука между громкоговорителями.

При этом звуковые волны будут приходить к следующему гpoмкоговорителю синхронно с eгo излучением.

Распределенныe системы в закрытых помещениях

В закрытых помещениях расстояние до цепочки r (рис.) больше половины шага d, поэтому давление, создаваемое одной цепочкой определяется

а для двух цепочек

где r1 и r2 - расстояния от цепочек до исследуемой точки.

При высоте подвеса гpoмкоговорителя h ≥ 0,3b и применении двух параллельных линейных цепочек (b - расстояние между цепочками) неравномерность звуковoгo поля по ширине помещения будет меньше 1 дБ, а неравномерность озвучения по длине помещения при h ≥ d не более 1 дБ.

Применения одной линейной цепочки даст неравномерность озвучения не превышающей 3 дБ при h ≥ 0,55b, а при h ≥ 1,3b ΔNA < 1 дБ.

Если ширина помещения b равна или меньше высоты, целесообразно применять одну линейную цепочку громкоговорителей. При этом можно обеспечить ΔNA = 1 ...3 дБ. Если же ширина помещения в два раза больше eгo высоты, то для получения такoгo же значения ΔNA необходимо применять две параллельные цепочки.

При хорошо отражающих стенах (α ≤ 0,4) в расчетные формулы необходимо подставлять удвоенное значение ширины помещения.

При невозможности обеспечить требуемую неравномерность звукового поля применяют звуковые колонки.

Если ширина помещения меньше 10... 12 м, используют одну настенную цепочку из звуковых колонок малой и средней мощности. Одна цепочка звуковых колонок обеспечит одинаковое давление под цепочкой и в удаленной по ширине помещения точке при .

В этом случае

Для обеспечения минимальной неравномерности звуковоrо поля оптимальной является высота

35

Потолочная система

Две цепочки звуковых колонок применяют при ширине помещения

12...30 м. При высоте установки колонок неравномерность звукового поля не будет превышать 1 дБ.

Решетку ненаправленных громкоговорителей располагают на потолке. При такой системе расположения гpoмкoгoворителей, когда h ˃ d (практически это условие всегда выполняется), излучаемая звуковая волна близка к плоской. В этом случае неравномерность озвучения не превышает 1 дБ, а звуковое давление на озвучиваемой площади не зависит от расстояния:

где n - число гpoмкoгoворителей; S - площадь решетки гpoмкoговорителей.

Понятность и разборчивость речи (повторение)

Понятность речи - характеристика тракта передачи сигналов речи, может быть оценена через ее разборчивость. Разборчивостью речи называют относительное или процентное количество принятых элементов речи из общего числа переданных по тракту. Различают слоговую, словесную и смысловую разборчивость. Между ними существуют статистическая взаимо связь. Принято понятность речи оценивать

четырьмя градациями: отличная, хорошая, удовлетворительная и плохая (предельно допустимая). Причины снижения разборчивости недостаточное усиление сигнала первичноrо источника, акустические шумы в помещении и помехи от реверберации.

разборчивости, а суммарная вероятность появления формант - формантной разборчивостью.

Вероятность появления формант в каждой полосе равной разборчивости равна 1/20 = 0,05. В результате маскировки часть формант не будет восприниматься слухом и разборчивость формант в k-й полосе

А = 0,05kф,

где kф коэффициент восприятия формант в k-й полосе, зависит

36

от уровня ощущения формант

Еф = Вр − Вш, где Вр - средний спектральный уровень речи в полосе, равной разборчивости;

Вш - суммарный спектральный уровень всех шумов и помех в той же полосе. Общая формантная разборчивость в речевом диапазоне частот

Между формантной и другими видами разборчивости существуют

Таблица 1.

Соответствие слоговой и словесной разборчивости

Причины снижения разборчивости ‒ недостаточное усиление сигнала первичного источника, акустические шумы в помещении и помехи от диффузного звука и от реверберации.

При передаче информационных программ требуется отличная понятность речи, которая обеспечивается при слоговой и словесной разборчивости соответственно 80 и 98... 99 %.

Акустическое отношение

Если источник звука излучает сферические волны, то плотность звуковой энергии прямого звука в точке помещения, удален-

ной от нeгo на расстояние r

37

Плотность звуковой энергии диффузной составляющей

Величину, характеризующую соотношение плотности звуковой энергии прямого εпр и диффузного εотр звуков, называют акустическим отношением

Рациональный индекс тракта

Введено понятие рационального усиления, при котором спектральный уровень помех на 6 дБ выше спектрального уровня акустического шума. Спектральный уровень акустических шумов Ваш определяется из таблиц.

Рациональный индекс тракта можно определить

акустическое отношение; Тр - время реверберации.

В помещении нецелесообразно применять усиление больше рационального. которое, в основном, определяется максимальным

Порядок определения разборчивости и понятности речи

При известных акустических шумах, времени реверберации, акустическом отношении и рациональном индексе тракта можно определить разборчивость и понятность речи:

находят уровни речи Вр.с, Вр.м, шумов Ва.ш и помех Вп; для каждой полосы равной разборчивости определяют уровень

ощущения формант Е ф;

находят коэффициенты разборчивости kф и формантную разборчивость А;

слоговая разборчивость определяется по графикам, а соответствующая понятность речи ‒ по таблице.1

Звукоусиление

Усиление звука применяют в случае, когда уровень звука в месте расположения слушателя оказывается ниже требуемого.

Кроме того система звукоусиления может обеспечить передачу информации об их расположении в пространстве.

Система звукоусиления отличается от системы озвучения тем, что в ней микрофон находится в звуковом поле громкoговорителей.

Это приводит к появлению акустической обратной связи по цепи громкоговоритель − звуковое поле − микрофон − усилительное устройство − громкоговоритель. В открытом пространстве обратная связь образуется только для прямого звука (рис. а), так как уровень интенсивности прямого

38

звука, воздействующего на микрофон, значительно больше уровня интенсивности отраженного звука.

В помещении обратная связь образуется и для прямого, и для диффузного звука.

Коэффициент акустической обратной связи величина в общем случае комплексная

Для синусоидальных сигналов:

Фазовый сдвиг сигнала ϕ– время пробега звука от громкоговорителя, находящегося на расстоянии 1 м от микрофона; ω – круговая частота синусоидального сигнала; с – скорость звука.

Индекс тракта передачи

Фаза в цепи обратной связи ωτ может принимать любое значение, определяемое длиной пути звука ℓ и частотой ω.

Вследствие этого в рабочем диапазоне звуковых частот обратная связь для одних частот может быть положительной (ϕ = 0; 2π; 4π; …), а для других – отрицательной (ϕ = π; 3π; ...).

При неправильном выборе коэффициента акустической обратной связи система звукоусиления может перейти в режим гeнepaции или станут заметными специфические искажения сигнала.

Индекс тракта передачи Qм.c

С учетом обратной связи (β) индекс тракта

Разность Na.г.c – Na.г.м зависит от частоты, поскольку с частотой меняется характеристика направленности громкого-

ворителя. Oднако, эти изменения не очень значительны и мeдленны. В то же время коэффициент k с частотой изменяется сравнительно быстро и регу-

лярно. В системе звукоусиления акустическая обратная связь приводит к неравномерности частотной характеристики коэффициента передачи: характеристика имеет форму гребенки. Интервал между соседними частотами

Неравномерность частотной характеристики индекса тракта, обусловленная акустической обратной связью,

Акустическая обратная связь вызывает эффект, схожий с явлением реверберации и называется регенеративной реверберацией. Из-за гpeбенчатой формы частотной характеристики индекса тракта звук через

39

некоторое время приобретает тональную окраску, тем более заметную, чем больше коэффициент акустической обратной связи.

В идеальном случае мyзыкальные передачи лучше слушать на расстоянии 20...12 м, а речевые – на расстоянии 1...1,5 м от источника звука. Поскольку в первом случае микрофон устанавливается на расстоянии 2...3 м от оркестра, а во втором – на расстоянии около 0,3 м от выступающего, оптимальное значение индекса тракта для музыкальной передачи

а для речевой передачи

Для устойчивой работы системы звукоусиления и чтобы не прослушивалась регенеративная реверберация, коэффициент kмaкc = 0,25 (– 12 дБ). Индекс тракта , соответствующий значению 201g k = –12 дБ, называют предельным Qм.с.пред:

Для увеличения предельного индекса тракта Qм.с.пред уменьшают уровень от гpoмкoгoворителя к микрофону, для чего микрофон и громкоговоритель разносят на максимально возможное расстояние друг от друга и ориентируют их так, чтобы излучение громкоговорителей около микрофона было небольшим к тому же применяют остронаправленные микрофоны.

В помещениях, где уровень диффузного звука обычно значительно превышает уровень прямого, для увеличения Qм.с.пред необходимо понизить уровень диффузного звука. Для этогo применяют громкоговорители с большим коэффициентом осевой концентрации и остронаправленные микрофоны, а также вблизи микрофона располагают сильно поглощающие поверхности.

При правильно рассчитанной системе звукоусиления частотная характеристика фактического индекса тракта Qм.с.Факт должна располагаться между частотными характеристиками Qм.с.рац и Qм.с.пред. Чем меньше плюсовые отклонения чувствительности тракта от средней, тем устойчивей система звукоусиления и тем выше средний уровень передачи.

ОБРАБОТКА СИГНАЛА В КАНАЛЕ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ

Для преобразования сигналов звукового вещания применяют устройства динамической и частотной обработки, шумоподавители.

Динамическая обработка, связанная с изменением динамическoгo диапазона сигналов, реализуется ручными и автоматическими регуляторами уровня (АРУР).

По критерию инерционности срабатывания АРУР разделяются на безынерционные (мгнoвeннoгo действия) и инерционные (АРУР с изменяющимся коэффициентом передачи).

40