глава8-БОНЧ / Глава -АС,ГГ,СТ / раздел4-Стереотелефоны
.doc
8.4 . Телефоны- головные широкополосные стереофонические.
В соответствии с международными стандартами IEC 268-7,581-10,268-13 [11] телефоном называется «электроакустический преобразователь, с помощью которого электрические сигналы преобразуются в акустические колебания, предназначенный для работы в условиях акустической связи с ухом». Таким образом, принципиальным отличием телефона от громкоговорителя является то, что он не предназначен для излучения звука в открытую окружающую среду, а может использоваться только при нагрузке на ухо. Это существенно меняет методы его проектирования, а также методы измерения и оценки его параметров. Головным телефоном называется "один или два телефона на оголовье". Стереофоническим называется "двухканальный головной телефон, предназначенный для индивидуального прослушивания стереофонических записей".
Головные стереофонические телефоны широко применяются в настоящее время в различных областях техники: студийной звукозаписи, при контроле звуковых программ в кино, телевидении, радиовещании и концертно-театральных представлениях, в системах домашнего и профессионального звуковоспроизведения и различных служебных системах связи и оповещения. За последние годы в технике проектирования и методах оценки качества стереотелефонов произошли существенные изменения благодаря внедрению новых технологий и применению цифровых адаптивных процессоров для передачи пространственного звукового образа. Разработкой и производством современных стереотелефонов занимаются в настоящее время такие крупнейшие фирмы как ф.Koss, ф.AKG, ф.Sennheiser, ф.Sony, ф.Neumann, ф.Shure и многие другие.
Основные элементы конструкции: внешний вид современного стереотелефона К-240 фирмы AKG и упрощенная схема конструкции показаны на рис.8.44 а,б.Стереотелефон содержит два телефона, каждый из которых включает в себя преобразователь -1, корпус- 2, амбушюр-3, оголовье-4, кабель-5 и соединитель-6. Преобразователь(излучатель) является основной частью телефона, обеспечивающей преобразование электрической энергии в акустическую. Корпус предназначен для защиты излучателя от повреждений, для обеспечения необходимой акустической нагрузки на него и для закрепления оголовья. Амбушюром называется кольцевая прокладка из упругого материала, обеспечивающая акустическую связь телефона с ухом. Оголовье предназначено для соединения двух телефонов и закрепления их на голове слушателя.
Классификация стереотелефонов может быть выполнена по различным признакам: по принципам преобразования электрической энергии в акустическую в излучателях; по видам акустической нагрузки; по областям применения; по способам подведения к ним сигнала; по видам процессорной обработки и др.
=По принципам преобразования применяемые в современных телефонах излучатели могут разделены на следующие типы: электродинамические, электростатические и пьезоэлектрические.
В свою очередь, электродинамические излучатели делятся на две группы: катушечные и орто - и изодинамические.
Катушечные излучатели, используемые в телефонах ,представляют собой либо специальный преобразователь с миниатюрной магнитной цепью и сферической диафрагмой, либо обычную головку громкоговорителя небольших размеров.
Схематический поперечный разрез электродинамического катушечного преобразователя первого типа показан на рис.8.45. Преобразователь состоит из магнитной и подвижной систем: магнитная система включает в себя керновой постоянный магнит 1 и магнитопровод, состоящий из стального стакана 2,верхнего фланца3 и полюсного наконечника 4.
Между внутренним диаметром фланца и полюсным наконечником имеется равномерный воздушный кольцевой зазор, в котором с помощью магнита создается постоянное магнитное поле. Подвижная система состоит из сферической диафрагмы 5, изготовленной из тонкой, например, полиэтилентерефталатной или поликарбонатной пленки, и звуковой катушки 6, приклеенной к диафрагме. При подведении к звуковой катушке переменного напряжения в ней возникает сила, вызывающая колебания диафрагмы, и соответствующее изменение давления в полости уха. В излучателях для стереотелефонов используются современные материалы и технологии: высокоэффективные магниты из ниодима или кобальта ,катушки с алюминиевым напылением , мембраны из тонкого полимера (например, фирма Sennheiser применяет мембрану из диофола: композиции тончайшего полимера и эластика, устраняющего такое нежелательное явление, как распределение радиальных стоячих волн) и др. Из мягких, эластичных и звуконепроницаемых материалов выполняются амбушюры, которым придают удобную форму для прилегания к ушам.
В преобразователях на основе головок громкоговорителей используют обычные конструкции с конусными диафрагмами. Подвижные системы таких преобразователей обычно тяжелее и имеют больший уровень переходных и нелинейных искажений, чем в преобразователях первого типа.
Изодинамические и ортодинамические излучатели используют натянутую мембрану, расположенную между двумя плоскими магнитами. Поскольку проводник нанесен на всю поверхность, сила ,действующая на поверхность мембраны также распределяется равномерно, что обеспечивает синфазность колебаний.
Ортодинамические излучатели имеют круглую, слегка гофрированную мембрану с нанесенным на ее поверхность с одной или с обеих сторон плоским проводником, имеющим вид спирали, состоящей из нескольких секций с чередующимся направлением витков. Мембрана натянута и закреплена по периферии между двумя круглыми магнитами с отверстиями, расположенными на нескольких концентрических диаметрах. Полярность кольцевых зон магнита между рядами отверстий чередуется. Схематический поперечный разрез ортодинамического телефона представлен на рис. 8.46а.
В изодинамическом преобразователе проводник расположен на мембране в виде меандра. Магнитная система состоит из магнитных стержней, намагниченных в поперечном направлении с чередующейся полярностью. Проводники расположены на мембране между магнитами, т. е. в поле рассеяния магнитной цепи. Схематический поперечный разрез изодинамического преобразователя представлен на рис. 8.46б.
Электростатические и электретные излучатели содержат мембрану из металлизированной полимерной пленки, расположенной между двумя перфорированными металлическими электродами (рис.8.47). Между неподвижными электродами и мембраной расположены две прокладки , обеспечивающие воздушный зазор для свободного движения мембраны. На мембрану подается постоянное напряжение поляризации. При подаче на неподвижные электроды переменного напряжения звуковой частоты мембрана начинает совершать колебания. Движение всех точек мембраны происходит практически синфазно, так как сила, действующая на мембрану, равномерно распределена по всей ее поверхности. У электростатических телефонов очень высокое качество звучания, но достаточно сложная конструкция и технология сборки, кроме того они кроме преобразователя содержат источник высокого напряжения поляризации и повышающий трансформатор. Разновидностью электростатических преобразователей являются электретные, отличающиеся тем, что в них в качестве мембраны используется полимерная пленка, способная длительное время сохранять электрический заряд, вследствие чего не требуется внешнего источника постоянного напряжения.
Пьезоэлектрические излучатели используют принцип обратного пьезоэффекта, когда при подведении к материалу, обладающему пьезоэлектрическими свойствами, переменного напряжения, материал деформируется в соответствии с подводимым напряжением. В конструкциях телефонов в качестве материала для мембраны используют ориентированную пленку на основе поливинилиденфторида, которая после поляризации в сильном электрическом поле приобретает пьезоэлектрические свойства. Для использования в качестве пьезоэлемента пленку металлизируют с обеих сторон. Пьезоэлемент из поливинилиденфторидной пленки может работать в широком диапазоне частот и пригоден для высококачественного звуковоспроизведения.На рис. 8.48 приведен схематический поперечный разрез пьезопленочного преобразователя для телефонов. Мембрана 1 приклеена к картонной рамке 2 и помещена между двумя пластмассовыми прямоугольными рамками 3 и 4. В рамку 4 вкладывается кусок пенополиуретана прямоугольной формы 5. Сигналы снимаются с обеих сторон металлизированной поверхности мембраны с помощью контактных пластин 6 и 7. Детали преобразователя имеют радиусный изгиб, необходимый для обеспечения симметричного колебания мембраны в поперечном направлении.
Наибольшее распространение в настоящее время имеют электродинамические телефоны( например, модели К401,К 501 и другие фирмы AKG) и электростатические телефоны( например, стереотелефоны для студийной звукозаписи фирмы Кoss тип ESP-950)
= по принципу акустической нагрузки- телефоны разделяются на два типа: закрытые и открытые. Тип акустической нагрузки определяется способом акустической связи преобразователя с ухом слушателя и окружающей средой.
Закрытые телефоны имеют плотные амбушюры и корпус без отверстий, т. е. они нагружены на замкнутый объем. В зависимости от формы амбушюра закрытые телефоны могут быть либо охватывающими, либо прижимными, либо вкладными (рис.8.49).. Охватывающим называется телефон, амбушюр которого охватывает ушную раковину и прижимается к голове. Прижимным называется телефон, прижимаемый снаружи к ушной раковине. Вкладным-непосредственно вводимый в ушную раковину или слуховой канал.
Открытыми называются телефоны, электроакустический преобразователь которых сообщается с открытым пространством как через пористый амбушюр,так и через отверстия в корпусе (рис.8.50а).
Каждый тип конструктивного оформления телефонов имеет свои преимущества и недостатки: поскольку закрытые телефоны нагружены на замкнутый объем ,они полностью изолируют слушателя от влияния окружающей среды. Это явление вызывает у него быструю утомляемость. Кроме того возникает чувство «давления на уши», возникающее из-за герметичности объема под амбушюрами и давления амбушюров на голову (которое трудно уменьшить, так как при этом может нарушаться герметичность и эффективность воспроизведения нижних частот). Однако, закрытые телефоны обладают самыми лучшими характеристиками воспроизведения в области низких частот. К тому же посторонние шумы в помещении, где происходит прослушивание, не оказывают влияния на качество звука. Поэтому стереотелефоны такого типа широко применяются в студийной звукозаписи.
Прижимные закрытые телефоны не вызывают у слушателя чувство оторванности от окружающей среды, так как объем под амбушюром, вследствие сложной конфигурации ушной раковины, не может быть герметичным, однако качество воспроизведения низких частот в них хуже.
Открытые телефоны, имеющие по сравнению с закрытыми значительно меньшие размеры и массу, используются, как правило, для работы от малогабаритной звуковоспроизводящей аппаратуры. Вследствие малых размеров преобразователя и связи с окружающей средой малогабаритные телефоны не могут обеспечить высококачественного воспроизведения низких частот и защиты от проникновения внешних шумов. Однако ,они легки и удобны для работы в различных условиях.
Полуоткрытые стереотелефоны— средний вариант между закрытыми и открытыми типами телефонов(рис.8.50б). Конструкция полуоткрытых телефонов, использует амбушюры из плотного эластичного материала, связь с внешней средой происходит только через корпус ,они оптимально сочетают в себе достоинства вышеперечисленных типов телефонов. В них отсутствуют многие недостатки (меньше уровень шумов, лучше воспроизведение низких частот и др.), присущие телефонам открытого типа, они достаточно легки, не так дороги, универсальны по характеру использования, могут с высоким качеством работать со стационарной, так и с переносной аппаратурой.
=по областям применения конструкции современных стереотелефонов имеют значительные различия. Основные из них следующие: высококачественные студийные стереотелефоны для контроля качества записи ; "ушные" мониторы, в которых закрытый преобразователь непосредственно вкладывается в ушной канал со специальной заглушкой; стереотелефоны для работы с телевизионными приемниками( они отличаются от остальных телефонов длиной соединительного шнура не менее 5 м или использованием инфракрасных приемников); стереотелефоны совмещенные с микрофоном (типа"оголовье"),которые широко используются в концертной, студийной практике и для работы с компьютером; миниатюрные стереотелефоны для плееров и многие другие.
=по способам подведения сигнала: по этому критерию стереотелефоны могут быть разделены на проводные и беспроводные. Все стереотелефоны до последнего времени относились только к группе проводных . За последние годы появилось два типа беспроводных стереотелефона: инфракрасные (INR) и радиотелефоны (RF).Инфракрасные стереотелефоны имеют встроенный приемник инфракрасного излучения и могут работать на расстоянии до 10м (в пределах видимости). Первоначально они предназначались для телевизоров, но теперь их начали использовать для общения с компьютером(особенно учитывая, что современные компьютерные технологии позволяют распознавать и синтезировать речь, т.е. вести речевой диалог).
Стереотелефоны с радиопередатчиком могут работать в диапазонe FM, VHF, UHF на расстоянии до 100м .Диапазон FM (88-108МГц)сильно перегружен радиостанциями и поэтому для стереотелефонов теперь используется редко, обычно они работают в диапазоне VHF от130-250Мгц и самом популярном сейчас диапазоне UHF(450-900МГц),где обеспечивается минимальный уровень помех. В современных радиотелефонах ,например,HEARO-999 фирмы AKG, используются цифровая радиосвязь, что обеспечивает низкий уровень шумов, широкий динамический диапазон, возможность подключения нескольких стереотелефонов к одному передатчику, а также широкие возможности для дополнительной процессорной обработки звука.
=по видам процессорной обработки: стереотелефоны представляют собой такой вид аппаратуры, где применение процессорной обработки звука нашло наиболее широкое применение. Основные направления ее применения включают в себя: воссоздание пространственной панорамы звука и вынос звукового образа из головы; уменьшение уровня шумов с использованием активного шумоподавления; увеличение субъективного ощущения низких частот и др.
Создание пространственной звуковой панорамы:прослушивание музыкальных и речевых программ через стереотелефоны обладает одной принципиальной особенностью. Как известно, пространственное восприятие звукового образа возникает за счет такого слухового механизма как бинауральная пространственная локализация. Для локализации звука в горизонтальной плоскости слуховая система использует оценку разности по времени и интенсивности между звуковыми сигналами поступающими на два уха, при локализации в вертикальной плоскости большое значение имеют дифракционные процессы на ушной раковине, наконец, при оценке глубины играют роль тембральные различия при удалении источника, влияние реверберации в помещении и др. Поскольку в телефонах имеет место изоляция от внешних источников, выключение ушной раковины из обработки звука и поступление звука прямо в ушной канал, то слуховая система локализует звуковой образ внутри головы и пространственное восприятие звукового образа исчезает. Это приводит к сильной утомляемости слушателей. Для воссоздания реального восприятия пространственного звукового образа необходимо восстановить в стереотелефонах все операции, которые происходят при обработке звука в реальном пространстве, а именно ввести дифракционные фильтры для воспроизведения функций ушной раковины, восстановить перекрестные связи, добавить реверберацию и т. д.
Именно по пути воссоздания этих характеристик с помощью специальной процессорной обработки и развивается современная техника стереотелефонов.
В ее развитии можно выделить несколько этапов: в 70-е годы в связи с развитием квадрофонии появились 4-канальные телефоны, где в отличие от стереомоделей использовалось по два преобразователя в каждом корпусе(рис.8.51),однако применение каких телефонов позволяло несколько улучшить пространственное восприятие звука, но не решало главной проблемы- выноса стереообраза из головы. После 80-х лет на смену квадрофонии пришли другие системы пространственной передачи звука типа Долби-Surround, Pro Logic,Digital и др.и началось создание декодеров и специальных процессоров для внедрения этих систем в стереотелефоны. Все существующие в настоящее время процессоры для стереотелефонов, которые получили название виртуалайзеры(virtualizers), можно разделить на две группы:
-процессоры моделирующие отдельные психоакустические параметры, используемые слуховой системой для восприятия пространственного звука, их называют также "стереоэкспандеры"
-процессоры, моделирующие передаточные функции головы (HRTF),что значительно точнее позволяет воссоздать пространственный звуковой образ.
Процессоры первого типа начали развиваться с введения корректирующих цепей инвертирующих фазу в задних излучателях на 180град .Затем был предложен вариант расположения излучателей со сдвигом на 30град относительно оси, дополнительным заглушением верхней части излучателей и введением дополнительной реверберации и "перекрестных связей",т.е. добавлением в каждый канал сигналов из другого канала с некоторой задержкой от 5до30мс(рис.8.52).В современных процессорах такого типа (например фирмы Koss типа SPL Vitalizer)используются различные суммарно-разностные цепи с дополнительными фазовыми сдвигами и фильтрами, передаточная функция которых моделирует с некоторым приближением слуховые фильтры на ушной раковине (рис.8.53).
Процессоры второго типа начали развиваться сравнительно недавно, когда был накоплен достаточный опыт по исследованию передаточных функций головы(с учетом дифракции на ушных раковинах, голове и торсе; фильтрации в ушном канале и др.),а также, когда значительно возросли мощности и быстродействие цифровых процессоров. Пример cхемы такого процессора типа HRTF показан на рис.8.54.Их применение позволяет обеспечить вынос стереообраза из головы, создать широкую пространственную перспективу и обеспечить чрезвычайно реалистическое звучание. Наиболее современная технология BSR позволяет отслеживать поворот головы слушателя с соответствующим перемещением пространственной панорамы. Стереотелефоны с цифровыми процессорами такого типа обычно совмещенными с Долби- декодером выпускают фирмы AKG, Koss, Sony и др.Например,модельHEARO999фирмы AKG имеет цифровой приемник с частотой 434МГц совмещенный с Долби декодером с системой шумоподавления , встроенным цифровым процессором IVA для моделирования пространственной системы Dolby Digital в стереотелефонах, индивидуальной подстройкой передаточных функций головы, выбором различных тембров звучания и др.(рис.8.55).
-Активное подавление шумов в стереотелефонах производится с помощью встроенного миниатюрного микрофона внутри телефона для записи внешнего шума и цифрового процессора ,который генерирует шумовой сигнал с обратной фазой, уровень подавления может составлять 10дб для низких частот. Такой вид обработки сигнала полезен для работы со стереотелефонами в шумном окружении, например при работе на улице с высоким уровнем транспортного шума и др.
-Добавление низких частот(Force-Feedback)-для создания добавочного ощущения низких частот на стереотелефоне укрепляется специальный вибратор, который генерирует вибрации в такт с низкочастотными составляющими музыкального сигнала. Такие телефоны применяются для популярной музыки и для игр.
Теория расчета и проектирования стереотелефонов использует те же методы, что и для головок громкоговорителей (с учетом особого вида внешней нагрузки):на низких частотах для приближенной оценки применяются методы электромеханических аналогий[6,10,11],на средних и высоких используются точные численные методы и компьютерное моделирование для анализа структуры звукового поля, создаваемого в ушной раковине и слуховом канале. Пример эквивалентной схемы электродинамического телефона показан на рис.8.56 а. Принятые в ней параметры следующие:mMD,SD-масса и площадь диафрагмы;CMS,rMS-гибкость и сопротивление потерь в подвесе; mAM,rAM,CAV-масса,сопротивление потерь и гибкость воздуха внутри корпуса;,CAU-гибкость воздуха в слуховом канале; ZAU-входное сопротивление уха.При этом определение технических параметров, которые применяются при проектировании стереотелефонов, имеет некоторые специфические особенности, вызванные способом их нагрузки.
Технические характеристики стереотелефонов.
Минимальные требования к электроакустическим параметрам стереотелефонов, методы их измерения и оценки качества звучания изложены в международных документах IEC(МЭК) публикации 268.4-7 , 581. 4-10 ,268.4-13 соответственно и справочнике[11].Так же как и у других излучателей (громкоговорителей, звуковых колонок и др.)основным критерием линейных искажений является форма амплитудно-частотной характеристики звукового давления или уровня звукового давления (АЧХ), развиваемого телефоном. Под амплитудно-частотной характеристикой звукового давления понимается зависимость от частоты амплитуды звукового давления, развиваемого телефоном либо на входе слухового канала, либо на барабанной перепонке, при подведении к телефону напряжения постоянного значения синусоидальной формы или полосового шума. Учитывая особенности работы стереотелефонов, измерения АЧХ производятся либо с помощью зонда, помещенного в слуховой канал на "искусственной голове"; либо методом сравнения громкости в свободном звуковом поле сигналов от громкоговорителя и стереотелефона , одетого на уши слушателя ;либо с помощью измерений на специальном устройстве, называемом "Искусственное ухо"(ИУ). Схематический поперечный разрез ИУ представлен на рис.8.57:1-измерительный микрофон,2-входная камера,3-конусное адаптерное кольцо,4-камера.5-основание,6-крепежные винты,7-регулировочные винты. «Искусственное ухо» представляет собой камеру, состоящую из трех полостей, соединенных между собой через узкие щели и отверстия. Объемы полостей соответственно равны: V1=2,5 см3, V2=1,8 см3 V3 = 7,5 см3. В ИУ входит измерительный конденсаторный микрофон (приемник звукового давления). Модуль полного входного сопротивления ИУ в диапазоне частот 50... 10 000 Гц соответствует модулю входного сопротивления среднего человеческого уха. Звуковое давление, развиваемое телефоном в камере ИУ, преобразуется микрофоном в напряжение, которое усиливается микрофонным усилителем и регистрируется на самописце . Запись производится в логарифмическом масштабе при постоянстве напряжения на входе телефона. Запись АЧХ можно производить и при подведении шумового сигнала. Необходимо отметить, что в отличие от громкоговорителей форма АЧХ у телефонов не должна быть плоской, поскольку сигнал, попадающий в слуховой канал при работе громкоговорителя, должен пройти обработку на ушных раковинах(которые работают как дифракционные фильтры) и в слуховом канале. Типовая форма АЧХ стереотелефона показана на рис.8.58.
Из измеренной таким образом АЧХ определяется неравномерность ,т.е. разница между максимальным и минимальным уровнем звукового давления в заданном(номинальном)диапазоне частот, которая обычно находится в пределах 6дб-20дб.Кроме того, в каталогах на стереотелефоны задаются следующие параметры:
-Чувствительность(Sensitivity)-уровень звукового давления развиваемого телефоном при 1мватт входной мощности . В современных телефонах она находится в пределах 90-105дБ/мВт;
-Суммарный коэффициент гармоник(harmonic distortion) -при уровне звукового давления 94дб он обычно составляет 1%,однако имеются конструкции ,где он достигает 0,2%;
-Максимальная шумовая(паспортная)входная мощность(Max.input power),в современных стереотелефонах она находится в пределах 100-1000мВт;
-модуль полного электрического сопротивления (Rated impedance)на частоте 500гц,находится в обычно пределах 100-600ом.
В качестве примера, можно привести технические характеристики высококачественного динамического стереотелефона фирмы AKG К 501:
чувствительность 94дБ/мВт; диапазон частот 16Гц-30кГц;максимальная входная мощность-200мВт;номинальный импеданс-120ом.
Кроме измерения объективных характеристик, проводится экспертная оценка таких параметров как качество звучания и комфортность при эксплуатации. Методика проведения таких экспертиз определяется стандартом МЭК 268-13.Обычно оценка качества звучания проводится методом парного сравнения с эталонными стереотелефонами по семибальной шкале. Необходимо отметить, что качество звучания современных высококачественных стереотелефонов обеспечивает современный уровень требований к аппаратуре HI-FI, т.е. максимальный реализм и натуральность звучания.