3.3.3 Ачх реальных устройств воспроизведения звука

Реальная аудиосистема представляет собой целую сеть различных устройств, через которые должен пройти сигнал прежде, чем он достигнет слушателей. Каждая составляющая системы может иметь свою АЧХ, и в большей или меньшей степени изменять сигнал. Общая АЧХ системы зависит от АЧХ всех элементов в цепи прохождения сигнала.

Электрические цепи и кабели

Кабели являются самыми простыми элементами аудиосистемы и обычно имеют линейные АЧХ, однако на предельных частотах они могут ухудшаться. Стабильность АЧХ определяется конструкцией кабеля, его длиной и типом электрической схемы, к которой он подключен. Типичный аудиокабель состоит из одного или двух проводников сигнала и экранирующего проводника в изоляционной оплетке (рис. 3.3.1).

Аудиосигнал передается по центральному проводнику (проводникам). Экранирующий проводник подсоединяется к "земле" цепи и предназначен для подавления большинства наводок статического электричества и помех на радиочастотах. Экранирование, как правило, не уменьшает фоновые шумы, возникающие вследствие электромагнитных помех, а вот скручивание проводников (витая пара) в симметричной цепи является лучшим способом для подавления шумов такого рода.

Влияние кабеля на АЧХ, как правило, обусловлено тем, что между проводником сигнала и экранирующей оплеткой кабеля, а также между проводниками возникает электрическая емкость. А, поскольку сам кабель обладает определенным сопротивлением, это приводит к тому, что он начинает работать, как НЧ-фильтр (вырезает высокие частоты) и приглушает звук. Эффект приглушения пропорционален длине кабеля и зависит от выходного сопротивления цепи, к которой подключен кабель. Для передачи сигналов по очень длинным кабелям применяются специальные линейные усилители мощности. В кабелях некоторых видов между проводниками может возникать значительная индуктивность, и при определенном сопротивлении (и индуктивности) они могут работать как ВЧ-фильтр (вырезать нижние частоты). Поэтому для каждой конкретной задачи следует подбирать кабели нужного типа.

Современная схемотехника позволяет создавать электронные схемы с заданными характеристиками, и, если устройство не предназначено для изменения частотного спектра сигнала (например, регуляторы тембра), его АЧХ стремятся сделать линейной.

На рис 3.3.2 приведен график АЧХ для типичного качественного усилителя мощности аудиосигналов. В диапазоне звуковых частот АЧХ этого усилителя абсолютно линейная, она начинает падать только на границе этого диапазона.

Для уменьшения АЧХ в области низких частот (точка а на рис. 3.3.2) иногда используют так называемые "обрезные фильтры": они отсекают сверхнизкие частоты, которые могут повредить колонки или вызывать нежелательные искажения.

Для снижения уровня АЧХ в области высоких частот (точка б на рис. 3.3.2) применяют фильтры временных интермодуляционных искажений, которые уменьшают эти искажения и отсекают сверхвысокие частоты, которые могут повредить ВЧ-динамики.

Практически все процессоры аудиосигналов характеризуются линейной АЧХ. Исключение составляют цифровые процессоры, на вход и выход которых, чтобы избавиться от искажений, связанных с цифровой обработки сигнала, устанавливают НЧ-предфильтры. Все аналоговые процессоры аудиосигналов, если на этапе их разработки не была поставлена особая задача, должны иметь линейную АЧХ.

Микрофоны

Современные технологии позволяют создавать микрофоны с линейными АЧХ во всем диапазоне звуковых частот. Но часто эти устройства используют не только в качестве простых звукоснимателей, но и для придания звуку определенных характеристик, поэтому их АЧХ могут иметь отклонения. Так, например, на графике АЧХ микрофона может присутствовать широкий всплеск, соответствующий уровню сигнала 3--6 дБ, с максимумом в области 2--5 кГц. Микрофоны с такой АЧХ позволяют добиться "эффекта присутствия" и более отчетливого звучания речи.

В АЧХ микрофонов конденсаторного типа часто присутствует всплеск на частотах в 8-10 кГц, такие микрофоны обеспечивают более резкое и яркое воспроизведение широкого диапазона звуковых сигналов.

Для АЧХ микрофонов ленточного типа характерен всплеск, обеспечивающий "эффект присутствия", и небольшой подъем АЧХ в области низких частот, как правило, в районе 200 Гц. Такие микрофоны делают звучание более теплым, их часто используют для усиления звука инструментов и голоса певцов.

АЧХ динамических микрофонов, как правило, резко снижается на октаву при частоте 10 кГц и плавно - в области низких частот, начиная со 100 Гц. На АЧХ таких микрофонов может влиять угол падения звуковой волны, поэтому звуки, приходящие сбоку, могут воспроизводиться иначе, чем те, которые поступают под прямым углом, особенно сильно этот эффект проявляется у направленных микрофонов (рис. 3.3.3). Микрофоны для систем усиления звука могут иметь нелинейные АЧХ со множеством резонансов, их часто применяют для сольного вокала, так как они придают звучанию более яркий характер, или для отдельных инструментов, чтобы выделить их на фоне сложной комбинации партий других инструментов. Но из-за этих же характеристик такие микрофоны могут оказаться непригодным для воспроизведения звука от нескольких инструментов или голосов, и их лучше не использовать в качестве общих микрофонов для записи.

Универсальных микрофонов не существует. Точные их характеристики определяются сложным набором конструктивных факторов, поэтому при выборе нужного следует очень внимательно изучить спецификацию и опробовать микрофон в работе.

Колонки

Колонки относятся к таким элементам реальных звуковых систем, которые могут иметь самые различные АЧХ. Для них характерны узкие максимумы и минимумы в АЧХ в пределах 10 дБ и более, поэтому считается, что отклонение АЧХ на +/- 4дБ при измерениях с помощью треть октавных диапазонов является очень хорошей характеристикой для этих устройств. Такой допуск может показаться слишком большим, но следует учитывать, что динамики колонок работают с относительно высокой мощностью и создают довольно большое звуковое давление, поэтому в их конструкции должны быть заложены компромиссные решения, обеспечивающие высокую надежность и эффективность. Для воспроизведения полного диапазона звуковых частот в колонках устанавливается несколько динамиков, согласование которых в одном функциональном блоке является сложной задачей и влияет на АЧХ колонки. Колонки для систем усиления звука можно разделить на два основных класса: широкополосные и специальные, предназначенные для работы в ограниченном диапазоне частот. Последние используются в дополнение к первым для расширения полосы воспроизводимых частот. Как правило, АЧХ широкополосных колонок для систем усиления звука ограничена частотами 100 Гц и 10--15 кГц, и для большинства задач такого диапазона частот вполне достаточно. Некоторые небольшие колонки, например те, что используются в системах внутренней связи, имеют более узкий диапазон частот, но для усиления голоса принято использовать колонки с минимальный диапазоном воспроизводимых частот от 300 Гц до 3,5 кГц.

Самыми распространенными среди специализированных колонок являются сабвуферы и твитеры. Сабвуферы -- это громкоговорители, предназначенные для работы на частотах от 300 Гц до 30 Гц. Их используют для расширения АЧХ системы в области низких частот. Твитеры работают на частотах выше 5-8 кГц и предназначены для расширения АЧХ системы в области высоких частот.

Реальные громкоговорители представляют собой направленные устройства, т. е. они фокусируют излучаемый звук в определенном направ- лении. По мере удаления от основной оси громкоговорителя, уровень звука может уменьшаться, а его АЧХ становится менее линейной. Чтобы соотнести АЧХ устройства или системы с ее звуковыми характеристиками, надо иметь представление о частотном диапазоне типичных источников звука.