Механизм восприятия света и звуков

Известны исследования, направленные на увеличение контрастности в LCD технологии. В экспериментальных образцах новейших LCD проекторов удается повысить контрастность до 200:1 и выше, однако эти исследования пока находятся в лабораторной стадии.

D-ILA - технология

D-ILA технология, являясь усовершенствованным вариантом LCD -технологии, обеспечивает значительно более высокую контрастность изображения при одновременном снижении остаточных световых потоков. Так, фирма JVC на выставке Showiest 2001 продемонстрировала «суперконтрастные» D-ILA видеопроекторы с контрастностью изображения более 1000:1 /54/. Аналогичные значения контрастности демонстрировали в своих моделях D-ILA видеопроекторов SONY и другие разработчики аппаратуры электронного кинематографа.

DLP-технология

DLP технология не содержит поляроидных элементов, формирующих изображение, поэтому в ней нет ограничений в контрастности изображения, связанных с поляризацией светового потока. Теоретически контрастность изображения, формируемого DLP преобразователями ограничена только дифракционным рассеянием света на краях микрозеркальных элементов. Относительная величина рассеянного светового потока на краях микро зеркала размером 16х16мкм не превышает 0,001 - 0,0001, поэтому теоретическая величина контрастности микрозеркального преобразователя сигнал-свет может составлять 1000:1 и более. В настоящее время известны модели DLP видеопроекторов с контрастностью более 800:1. Резюмируя изложенное можно сделать следующие выводы:

1. LCD технологии обеспечивают создание преобразователей сигнал-свет с контрастностью изображения не более 100:1 - 150:1. Эти преобразователи характеризуются большими остаточными световыми потоками, что существенно снижает контрастность изображения в темных сюжетах.

2. D-ILA и DLP технологии обеспечивают получение контрастности порядка 1000:1 и позволяют воспроизводить без яркостных искажений любые Сюжеты.

Специфические искажения изображений в системах электронной проекции

Характерной чертой систем электронного кинематографа является использование в преобразователях свет-сигнал и сигнал- свет преобразующих матричных структур с определенным количеством, формой и расположением чувствительных элементов (пикселов). В общем случае указанные характеристики преобразователей свет-сигнал и сигнал-свет в рамках одной системы электронного кинематографа могут отличаться друг от друга. Наложение двух дискретных структур в сквозном процессе электронного кинематографа может привести к возникновению искажений типа муаров, особенно хорошо заметных при наблюдении изображений на больших экранах. Полностью исключить муаровые искажения возможно только при соблюдении точечно-точечного соответствия матричных структур преобразователей свет-сигнал и сигнал-свет и при сохранении в канале связи информации о точных координатах каждого пиксела.

Современные цифровые системы обработки видеоинформации позволяют преобразовывать дискретные структуры изображения с изменением количества отсчетов в каждой строке изображения и количества строк в кадре. Таким образом, можно привести в соответствие различные дискретные структуры преобразователей свет-сигнал и сигнал-свет, что позволит принципиально избавиться от возникновения муаровых искажений. Кроме того, только в полностью цифровом канале связи преобразователей свет-сигнал и сигнал-свет может быть сохранена информация о пространственных координатах каждого пиксела и соответственно, обеспечено условие точечно-точечного соответствия дискретных структур этих преобразователей.

При наличии хотя бы одного аналогового звена в канале связи между преобразователями свет-сигнал и сигнал-свет теряется информация о точных координатах каждого пиксела изображения и становится невозможным обеспечить точечно-точечное соответствие дискретных структур этих преобразователей. В этом случае принципиально невозможно избежать появления муаровых искажений без соответствующей оптической и электронной фильтрации.

Необходимые условия для объемного воспроизведения изображений

1. УСЛОВИЯ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ

Объемность предметов и их пространственное расположение непосредственно может восприниматься нами как при монокулярном зрении (одним глазом), так и при бинокулярном (обоими глазами). В первом случае главную роль играют физиологические факторы (зрительная память, ощущение различия в напряжении мышц при аккомодации и т. п.) или же необходимость перемещения глаза наблюдателя. Опираться на эти факторы при построении телевизионной системы, где глаз заменяется передающей трубкой, очевидно, нельзя. Необходимо прибегнуть к использованию свойств бинокулярного зрения, где основную роль играет глазной базис -- расстояние между зрительными осями при рассматривании удаленных предметов (рис. 1).

Величина глазного базиса не одинакова, но в среднем составляет 65 мм, эту величину и примем за постоянную. При проецировании удаленного предмета на центральное углубление сетчатки F_c (fovea centr.alis) мы видим данный объект одиночным. Если же предмет приблизить, то для четкого рассмотрения его глаза непроизвольно поворачиваются в своих орбитах (рис. 2), зрительные оси пересекутся на рассматриваемом объекте Q.

В этом случае предмет Q окажется спроектированным на F_с каждого глаза и представится нам опять одиночным предметом. Угол а при пересечении зрительных осей называется углом конвергенции (сведения в одну точку). Каждому положению объекта соответствует определенный угол конвергенции, что сопровождается некоторой мускульной работой поворачивания глазного яблока. Сравнение в нашем сознании мускульных напряжений, связанных с изменением угла конвергенции, дает представление о том, ближе или дальше расположен наблюдаемый предмет.

При перемещении рассматриваемого объекта происходит не только конвергенция глаз, но и аккомодация, т. е. изменение кривизны глазного хрусталика. Последнее обеспечивает резкость изображения предметов на сетчатке при различных расстояниях от глаза. Указанным действиям сопутствует также изменение диаметра зрачка, который сокращается с приближением рассматриваемого предмета. Это также способствует повышению резкости изображения на сетчатке за счет уменьшения кружков светорассеяния. Таким образом, с изменением расстояния наблюдения одновременно и непроизвольно меняется состояние трех родов мышц: управляющих поворотом глаз, крутизной хрусталика и диаметром зрачка, что уже вошло у нас в привычку. Для дальнейшего требуется подчеркнуть наличие одновременности двух действий -- конвергенции и аккомодации, т. e. соответственно каждому углу конвергенции сопутствует определенное напряжение аккомодации и наоборот. Стереоскопическое или глубинное, зрение есть способность воспринимать рельефность предметов и их пространственное расположение (глубину пространства).

При бинокулярном восприятии объемности предметов основным фактором является учет в нашем сознании различия в изображениях этих предметов на сетчатках левого и правого глаза. Поскольку правый и левый глаз рассматривают какую-либо деталь с разных точек зрения, из-за наличия глазного базиса, центры проекции изображения этой детали приходятся не на идентичные точки сетчаток обоих глаз. Идентичными, или соответствующими, называются такие точки сетчаток, которые удалены на одинаковое расстояние и в одинаковом направлении от их центрального углубления. Прочие точки проекции называются несоответствующими, или диспаратными. Достаточно малейшего смещения одной из проекций изображения с идентичных точек сетчатки, как в нашем сознании возникнет пространственное представление о рассматриваемых предметах.

Способность учета глубинного смещения предметов Р и Q (рис. 3) оценивается величиной разности параллактических углов Pi и р₂.

Эта разность, соответствующая минимальному кажущемуся смещению двух объектов по глубине, называется порогом глубинного зрения. Таким образом, порог глубинного зрения определяется как минимальная разность двух параллактических углов и равен 8 = Pi-P₂

Величина его зависит от наблюдателя, яркости фона, контраста объектов, горизонтального расстояния между ними и толщины их. В среднем величина глубинного порога оценивается в угловой мере 8= 10" -г 20" (без учета атмосферных условий). Величину, обратную порогу, т. е. Л, будем называть остротой глубинного, или стереоскопического, зрения.

Обозначим на рис. 3 условно левый и правый глаз через Л и П. Восприятие разного удаления объектов Р и Q определится разной величиной проекций отрезка PQ на сетчатках левого и правого глаза, выражаемых отрезками р_л q_n и р q_n . При рассматривании и одновременном фиксировании внимания, например на точке Р, т. е. при проектировании ее в середину центрального углубления р_л и р_а обеих сетчаток, точки q_n и q_a займут положение на разном расстоянии от р_л и р_а.

Если эта разность невелика, то в нашем сознании возникнет стереоскопическое восприятие, дающее суждение о взаимном удалении объектов Р и Q в глубину. Если точку Q приблизим к глазам на одинаковое расстояние с Р, в этом случае Q\ спроецируется в идентичную точку 4ji с точкой q .

Всякое смещение одного изображения из идентичной точки в область сетчатки, расположенную ближе к носу, вызывает представление об удалении предмета, а смещение изображения ближе к виску -- о приближении предмета. На основе этого мы судим, какой предмет отстоит дальше или ближе относительно другого.

Основы психоакустики

Поскольку психоакустике посвящено много публикаций [3.1, 3.23, 3.25, 3.26], мы обсудим только те факторы, которые важны для проектирования и работы звукоусилительных систем. Что касается психоакустических эффектов, мы кратко затронем один из них -- нарушение слуха вследствие воздействия избыточной громкости.

Восприятие и ощущение звука

Высота тона.

Способность человека воспринимать звуковые тона ограничивается диапазоном примерно от 16 Гц до 16 кГц. Верхний предел имеет значительный индивидуальный разброс, что связано с возрастом слушателей. Молодые люди с нормальным слухом могут воспринимать звуки даже до 20 кГц (см. также раздел 3.2.3), однако с возрастом верхний предел восприятия может снижаться до 10 кГц и даже ниже.

Для передачи речи необходим частотный диапазон от 200 Гц до 4 кГц. Музыка требует частотного диапазона по крайней мере от 100 Гц до 10 кГц, предпочтительно от 40 Гц до 15 кГц [3.27]. Как большинство других сенсорных восприятий, восприятие различий частоты тона зависит не от абсолютного, а от относительного изменения частоты. Это означает, что ощущение высоты тона человеком подчиняется не линейной, а логарифмической частотной шкале.

Вот почему в акустике и музыке используют логарифмические частотные шкалы. В различных сферах используют три частотных шкалы:

* Физико-акустическую. Она базируется на отношении частот f1 и f2 (интервал F), составляющем одну октаву (F=l:2). Чтобы стандартизировать условия измерений, в Рекомендациях МЭК 225 установлены крайние и средние частоты.

* Музыкальную. Также базируется на октаве, но подразделяется на 12 полутонов.

Диапазон слышимых частот состоит из 10 октав. Было сделано несколько попыток присвоить музыкальным полутонам фиксированные частоты, например, установить стандартный тон А частотою 440 Гц. Однако существует тенденция, в частности в больших симфонических оркестрах, настраивать инструменты чуть выше для получения особенного (яркого) звука.

Акустика помещений и психоакустика

* Психоакустическую. Эта шкала определяется структурой органа восприятия частоты тона -- базилярной мембраной. Шкала подразделяется на критические полосы частот, соответствующие примерно одной октаве для низких частот (до 200 Гц) и все более узким относительным полосам для более высоких частот Весь диапазон слышимых частот разделен на 25 частотных полос по одному барку каждая.

В диапазоне низких частот наблюдается небольшой сдвиг высоты тона в зависимости от громкости. При уменьшении или увеличении громкости на 50 дБ частота изменяется на 5% на 20 Гц и на 1 % на 1000 Гц. Этот эффект обусловлен тем, что при большой громкости более значительные области базилярной мембраны входят в резонанс, в результате чего сообщения о раздражителе передаются слуховыми нервами, которые обычно реагируют на другую частоту.

Восприятие громкости и эффект маскирования

Восприятие громкости ограничивается снизу порогом слышимости, а сверху -болевым порогом. Явление порога слышимости проистекает из того факта, что для создания слухового впечатления требуется определенное минимальное звуковое давление. Для частоты сигнала 1000 Гц это минимальное звуковое давление, усредненное по результатам испытаний большого числа людей, равно:

Согласно международной стандартизации, пороговые значения соответствуют уровню звукового давления 0 дБ. Порог слышимости сильно зависит от частоты, он значительно увеличивается для низких частот. (Вследствие того, что ухо менее чувствительно к слабым низкочастотным звукам, нас не раздражают такие естественные звуки, как турбулентность воздуха и низкие частоты, передаваемые на большое расстояние.)

Верхний предел восприятия звука определяется болью -- реакцией («защита путем ограничения») слуховой системы (разъединение косточек). Этот предел в 10⁶ раз выше звукового давления или в 10¹² раз выше интенсивности звука для порогового значения частоты сигнала 1000 Гц. Но прежде чем достигается этот уровень, возникают нелинейные искажения, которые начинаются на уровне около 90 дБ. Восприятие громкости в широком смысле следует логарифмическому закону (закону Вебера-Фехнера).

Одна из шкал восприятия громкости -- это шкала субъективного восприятия в фонах (Баркгаузен). Она была составлена путем сравнения тона данной частоты с опорным сигналом частотою 1000 Гц и подбора такого уровня испытуемого тона, при котором его громкость воспринималась бы как равная громкости опорного сигнала 1000Гц.

Рис. 3.29. Кривые равной громкости для чистых тонов

Если несколько различных тонов или шумов, близких по частоте и разного уровня громкости, возникают одновременно, при определенных условиях акустический стимул звука меньшего уровня может быть не слышим, даже если уровень его звука лежит выше порога слышимости. В этом случае слабый шум маскируется более громким. Порог слышимости слабого акустического стимула определяется маскированным порогом слышимости. На высоких частотах эффект проявляется более заметно. Этот эффект чрезвычайно важен для техники звукоусиления. Влияние маскирования объясняет тот факт, что провалы в частотной характеристике, проявляющиеся в узкой полосе частот и часто возникающие вследствие акустической интерференции звукового поля громкоговорителей, обычно не слышны, в то время как высокочастотные пики могут привести к заметному изменению тембра из-за маскирования соседних частот. Не слышны и слабые мешающие шумы, если сильный полезный звук создает эффект маскирования.

Тембр и возмущающие шумы

Тембр обычно определяется спектром звука. Этот спектр, как показывают рис. 3.31 и 3.32, создает на базилярной мембране структуру возбуждений, в том числе соответствующее маскирование. Эта структура воспринимается центральной нервной системой, которая «опознает» звуки речи и музыкальных инструментов по их соответствующим структурам возбуждений. В этом процессе большую роль играет доминирование определенных гармоник.

Рис.3.33.

Тембр относится по существу к линейным искажениям частотной характеристики, которые становятся заметными, например, при формировании гармоник или при подъеме и завале высоких и низких частот. Но они также могут возникнуть в случае кратких повторений (например, при формировании разностных тонов) или вследствие небольших нелинейных искажений отдельных инструментов или голосов (например, труб или голосов хора).

Тембры легко распознаются, если есть возможность сравнивать их непосредственно с исходным сигналом, что можно легко сделать, если используется звукоусиление. Абсолютно распознать тембры нетренированному человеку очень трудно, это могут сделать только люди с абсолютным слухом.

Шумы, которые совершенно не связаны с исходным звуком, не классифицируются как тембры. Это могут быть щелчки переключения, звуки при обжаривании пищи, сильные нелинейные искажения и изменения высоты тона, вызываемые детонацией в аналоговых механических устройствах записи и воспроизведения. Слушатель оценивает такие добавления как «новые сигналы» и мгновенно их распознает.

Восприятие искажений

Любое звуковое событие на своем пути, от места возникновения до слуховой системы, подвергается влияниям, вызывающим искажения сигнала.

Рис. 3.38.

Кажущееся положение фантомного источника при положении слушателя между двумя громкоговорителями, расположенными на рабочей линии А'--А" для обычной стереофонической установки (примерно под углом ±30° относительно центральной линии), как функция разности времени достижения сигналами ушей А/* (положительная при опережении слева) и разности уровней звука AL (положительная при более громком сигнале справа) акустических путей, или усилительной системы с головными телефонами и/или с промежуточным хранением на диске, ленте или другом носителе. Кроме того, само ухо вносит линейные и нелинейные искажения. Поскольку последние всегда присутствуют при соответствующих уровнях звука для отдельного слушателя, их почти невозможно обнаружить - может быть, только если значительно увеличить громкость.

Линейные искажения

Под линейными искажениями понимаются искажения (изменения) амплитудно-частотной характеристики. При идеальной передаче звука амплитуда не зависит от частоты сигнала, но в реальности наблюдаются отклонения большей или меньшей величины. Такие отклонения в частотных характеристиках от 1 дБ обнаруживаются при прямом А/В-сравнении. Поскольку такое сравнение при обычном прослушивании отсутствует, заметными на слух становятся только подъемы на 3...4 дБ или провалы >5 дБ (их слышимость меняется в зависимости от ширины зоны подъема или провала). Ограничение частотной характеристики рассматривается как линейное искажение.

Установлено, что в большинстве случаев в электроакустических системах фазово-частотную характеристику можно не учитывать. Это означает, что даже сильные изменения фазовой характеристики обычно не слышны. Они ощущаются на слух, только если вызывают амплитудные искажения при нарастании импульса или переходного процесса или если приводят к интерференциям.

Нелинейные искажения

Если отсутствует линейная корреляция между возбуждением и воспроизведением звука системой, говорят о наличии нелинейности. Нелинейности в канале передачи приводят к появлению новых частот, которых не было в исходном звуке, то есть к искажению первоначального сигнала. Заметность на слух новых частот в значительной степени зависит от частотного диапазона, в котором расположен исходный сигнал, и от громкости воспроизведения. Это объясняется сильной частотной зависимостью пороговой кривой равной громкости, а также эффектами маскирования, зависящими от громкости. Слышимость нелинейных искажений определяется и положением гармоник относительно исходного основного тона. Слуховая система наименее чувствительна к частотам, кратным основной частоте. Изменения тембра отмечаются только, когда новые гармоники достигают уровня от 10 до 30% основного тона

Рис. 3.39. Коэффициенты разборчивости слогов К_л и К_л как функции передаваемых частот

Ухо значительно более критично реагирует в том случае, если двойные или сложные тона образуют суммарные или разностные тона, гармонически несвязанные с отдельными парциальными тонами. Особенно неприятными в этом отношении являются гармоники, имеющие отношение частот 2:3 по отношению к основному тону (в музыкальной терминологии это интервал квинты).

При воспроизведении звука музыкальных инструментов искажения более заметны для тех инструментов, которые создают небольшое число гармоник (таких, как флейта). Здесь порог слышимости для искажений по второй гармонике составляет 1%, а для искажений по третьей гармонике -- 0,3%.

Понятие об усилителе. Основные определения

Усилительным устройством, или усилителем, называется устройство, предназначенное для увеличения мощности электрических колебаний (сигналов). Процесс усиления является частным случаем процесса управления энергией в мощной цепи с помощью небольшой энергии источника сигнала, затрачиваемой в управляющей цепи. Он нашел применение во многих областях современной науки и техники -- в радиотехнике, телевидении, кинематографии, проводной связи, автоматизации производства, измерительной и вычислительной технике и других.

В частности, при записи и воспроизведении звука используются электронные усилители, служащие для усиления электрических колебаний звуковой частоты.

Усиление сигнала осуществляется с помощью управляемых приборов (электронных ламп, транзисторов и др.) , являющихся усилительными элементами.

Слабый сигнал подается в управляющую цепь, называемую входной цепью, или входом, усилителя. Соответственно этот сигнал называется входным сигналом, а мощность, потребляемая от источника сигнала, входной мощностью Р_вх.

Управляемая мощная цепь, в которую включается нагрузка и источник питания усилительного элемента, называется выходной цепью, или выходом, усилителя. Усиленный сигнал является выходным сигналом, а мощность, отдаваемая усилителем во внешнюю нагрузку R_B, -- выходной мощностью Р_вых

Поскольку под усилением понимают увеличение мощности сигнала, Рвых всегда больше Р_вх. Однако не следует думать, что здесь нарушается закон сохранения энергии, так как увеличение мощности сигнала происходит за счет энергии, потребляемой от источника питания Р_о

Выходная мощность --это часть мощности, потребляемой от источника питания. Остальная часть представляет собой потери и идет на нагрев деталей, в основном усилительных элементов.

Таким образом, усилитель преобразует энергию источника питания в энергию усиливаемых сигналов.

При использовании в качестве усилительного элемента транзистора входной сигнал подается между базой и эмиттером (рис. 1.3, а). В цепь коллектора включается источник питания и нагрузка. Небольшие изменения прямого напряжения на эмиттерном р-n-переходе приводят к значительным изменениям потока носителей заряда, инжектируемых из эмиттера в базу и переходящих далее в коллектор. Происходящие при этом большие изменения тока коллектора вызывают соответствующие изменения напряжения на коллекторной нагрузке и коллекторе с частотой усиливаемого сигнала; переменная составляющая этого напряжения является выходным сигналом. Переменные составляющие тока и напряжения в цепи базы при этом во много раз меньше, чем в цепи коллектора. Следовательно, имеет место усиление -- мощность выходного сигнала значительно больше, чем входного.

В рассмотренном примере на транзисторе построен простейший усилитель, представляющий одну ступень усиления-- каскад.

Усилительным каскадом называется усилительный элемент со всеми относящимися к нему цепями. На принципиальных схемах каскадов показывают все элементы и их электрические соединения, а на структурных схемах каскад изображается прямоугольником.

Структурная схема усилителя

Структурной называется схема, на которой прямоугольниками или условными графическими обозначениями показаны основные части устройства, выполняющие определенные функции, и основные взаимосвязи между ними.

Рассмотрим упрощенную структурную схему усилителя -- схему соединения его каскадов (рис. 1а). Обычно усиление сигнала, создаваемое одним каскадом, оказывается недостаточным; поэтому применяют многокаскадные схемы усилителей.

Рис. 1. Упрощенная структурная схема усилителя (а) и примерная структура стационарного усилительного устройства киноустановок (б)

Сеть каскадом, подается на вход второго, с выхода второго -- на вход третьего и т. д., т. е. осуществляется последовательное усиление сигнала цепочкой каскадов.

Вход первого каскада является входом усилителя, а выход последнего -- выходом усилителя.

На вход усилителя включаются источники сигнала: фотоэлектронный умножитель или фотодиод при воспроизведении фотографической фонограммы, воспроизводящая магнитная головка при воспроизведении магнитной фонограммы, звукосниматель при воспроизведении грамзаписи, микрофон при усилении речи оратора или переводчика (при демонстрировании недублированных иностранных фильмов), а также при записи речи и музыки.

На выход усилителя включается внешняя нагрузка: громкоговоритель или телефон при воспроизведении звука, магнитная головка записи или модулятор света при магнитной или фотографической записи звука, рекордер при механической записи, осциллограф для наблюдения или фотографирования сигнала и т. д.

Для любого- каскада, кроме первого, источником сигнала служит предыдущий каскад, а нагрузкой для всех каскадов, кроме последнего, -- входная цепь следующего каскада.

Каскады могут иметь различное назначение -- усиление напряжения, тока или мощности (в зависимости от того, какая из этих величин сигнала должна быть доведена до определенного уровня, чтобы привести в действие следующий каскад или нагрузку).

Следует иметь в виду, что в процессе усиления мощность всегда увеличивается, но при усилении напряжения или тока ее величина не имеет значения.

Последний каскад, отдающий в нагрузку требуемую мощность, называется оконечным. Для приведения его в действие служит предоконечный каскад (драйвер), который в зависимости от режима оконечного каскада может быть либо усилителем мощности, либо усилителем напряжения.

Для увеличения напряжения от величины, которую создает источник сигнала на входе, до величины, требуемой на входе предоконечного каскада, служат каскады предварительного усиления напряжения.

В комплектах звуковоспроизводящей аппаратуры киноустановок, выполненных по блочному принципу, часть каскадов предварительного усиления напряжения выделяют в конструктивно самостоятельный предварительный усилитель, а остальные каскады вместе с предоконечным и оконечным -- в отдельный оконечный усилитель. Между этими усилителями включается выносной регулятор громкости, находящийся на пульте в зрительном зале.

Эти блоки вместе с источником питания составляют усилительное устройство.

Основные технические показатели усилителя

Усилитель характеризуется рядом технических показателей, по которым можно судить о его усилительных, энергетических и эксплуатационных свойствах и качестве передачи сигнала. Основные из них: коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления, номинальная (паспортная) выходная мощность, потребляемая мощность, коэффициент полезного действия, чувствительность, диапазон частот, искажения, динамический диапазон и уровень помех.

Кроме этого всякий усилитель характеризуется надежностью, стабильностью, устойчивостью, массой, габаритами, конструктивными и эксплуатационными особенностями.

Коэффициенты усиления

Для количественной оценки усилительных свойств устройства пользуются понятием 6 коэффициенте усиления.

Поскольку сигнал (электрические колебания) характеризуется величиной мощности, напряжения и тока, различают соответственно три коэффициента усиления.

Коэффициент усиления мощности К_р показывает, во сколько раз мощность сигнала на выходе усилителя больше, чем на входе:

Коэффициентом усиления напряжения /(„, или сокращенно, коэффициентом усиления К, называется отношение напряжения сигнала на выходе к напряжению на входе.

Аналогично определяется коэффициент усиления тока Ki как отношение выходного тока сигнала к входному:

По определению сущности процесса усиления коэффициент усиления мощности всегда больше единицы, в то время как коэффициенты усиления напряжения или тока, могут быть меньше единицы; иногда их в этом случае называют коэффициентами передачи напряжения или тока.

При активном сопротивлении нагрузки Р_вых = U_вых/I_вых; соответственно при активном входном сопротивлении усилителя P_вх = U_BXI_BX; тогда коэффициент усиления мощности равен произведению: К_р = K_uKi.

Работу усилителей звуковой частоты принято анализировать и исследовать при синусоидальном сигнале на входе.

Для многокаскадного усилителя коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления его каскадов:

Во всех приведенных соотношениях коэффициент усиления определяется, как отвлеченное число.

Более удобны логарифмические единицы измерения -- децибелы, в которых могут быть выражены не только коэффициенты усиления и их изменения, но и другие относительные величины.

Логарифмические единицы были введены в связи с психофизиологическими особенностями восприятия человеком внешних раздражений, действующих на его органы чувств: ощущение пропорционально логарифму раздражения. Например, восприятие громкости звука пропорционально логарифму звукового давления, а восприятие яркости изображения пропорционально логарифму освещенности. Поэтому изменения звукового давления в одно и то же число раз независимо от абсолютных величин воспринимаются человеком как одинаковые приращения громкости.

Чтобы выразить отношение двух величин в логарифмических единицах, надо измерить его единицами, пропорциональными логарифму этого отношения. отношение мощностей в логарифмических единицах названо в честь ученого Бела -- белами. Удобнее использовать более мелкие единицы--децибелы (дБ)

Таким образом, коэффициент усиления мощности в децибелах:

Чтобы выразить в децибелах отношение напряжений или токов, надо брать 20 логарифмов этого отношения, учитывая, что отношение мощностей пропорционально квадрату отношения напряжений или токов (при условии равенства сопротивлений), а при логарифмировании степени показатель степени служит множителем при логарифме основания.

Поэтому

Если какой-либо каскад имеет коэффициент усиления меньше единицы, то в децибелах он получится со знаком минус.

Рассмотрим это, на числовом примере. Пусть в трехкаскадном усилителе известны коэффициенты усиления каждого каскада. Если они даны в отвлеченных числах: К1 = 40, К2 = 100, К3 = 0,8, то общий коэффициент усиления

а в децибелах:

К_дБ= 32+40-2=70дБ.

Алгебраическое суммирование коэффициентов усиления и их изменений, а также других относительных величин, выраженных в децибелах, удобно для построения различных графиков и диаграмм уровней сигнала, а также уровня помех, динамического диапазона и частотных характеристик.

Частотные искажения и частотная характеристика. Диапазон частот

В процессе усиления устройство не должно изменять формы кривой сигнала. Однако по разным причинам форма кривой колебаний на выходе усилителя может отличаться от формы кривой на входе, т. е. усилитель вносит искажения сигнала. При воспроизведении звука эти искажения влияют на его тембр, и чистоту, в телевизионных устройствах искажается изображение, в осциллографах искажается форма наблюдаемой или фотографируемой кривой.

В зависимости от причины появления искажений их делят на линейные (частотные и фазовые, обусловленные реактивными сопротивлениями) и нелинейные, вносимые нелинейными приборами, в первую очередь самими усилительными элементами.

Частотными искажениями называют изменения формы кривой сигнала из-за неодинакового усиления колебаний разной частоты.

Как уже говорилось, колебания звуковой частоты представляют собой сложный сигнал, который может рассматриваться как сумма синусоидальных составляющих разной частоты. Если коэффициенты усиления для этих составляющих различны, то в суммарной кривой нарушается соотношение между амплитудами этих составляющих, что приводит к изменению тембра звука. Например-, если слабее усиливаются высокочастотные составляющие сигнала, то звук становится глухим, лишенным звонкости, басящим; если же в меньшей степени усиливаются низкочастотные составляющие сигнала, то звук приобретает металлический тембр, резкий и звенящий, лишенный сочности, бархатистости и глубины.

Тембр того или иного инструмента или голоса зависит от присущих этому инструменту обертонов (гармонических составляющих с чаcтотой, кратной частоте основного тона) и от их изменения во времени при нарастании и спадании звука. При больших частотных искажениях нарушается естественное соотношение между ними и основным тоном, и звучание одного голоса или инструмента становится мало отличимым от другого.

При усилении речевого сигнала большие частотные искажения могут привести к ухудшению разборчивости речи.

Для определения частотных искажений пользуются амплитудно-частотной характеристикой, называемой сокращенно частотной.

Частотная характеристика представляет собой зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала.

Обычно коэффициенты усиления на граничных частотах меньше, чем на средних, и характеристика является плавной кривой со спадами к нижним и верхним частотам. Если частотных искажений нет, то характеристика параллельна оси абсцисс.

Для построения частотной характеристики пользуются логарифмическим масштабом для оси частот, так как при большой разнице в величине частот линейный (равномерный) масштаб неудобен. Логарифмический масштаб позволяет искусственно растянуть область малых частот и сжать область больших. Для этого по оси абсцисс откладывают отрезки, пропорциональные логарифму частоты, а пишут величину частоты в герцах. Коэффициент усиления можно откладывать по оси ординат в отвлеченных числах или в децибелах. Если входное напряжение поддерживается для всех частот постоянным, то для снятых экспериментально характеристик допускается откладывать по оси ординат величину выходного напряжения, которое при этом условии пропорционально коэффициенту усиления.

Средняя частота может быть выбрана в области средних частот (от 300 до 3000 Гц), в пределах которой реактивные элементы мало влияют на работу усилителя, или вычислена, как среднее геометрическое для значений граничных частот.

При испытаниях усилителей записи- и воспроизведения звука за среднюю частоту принимают обычно 400 Гц.

Наибольший интерес представляют коэффициенты частотных искажений на граничных частотах, а также на тех частотах, где получаются (либо специально создаются) характерные подъемы или спады, пики или провалы.

Коэффициент частотных искажений всего усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений всех каскадов на данной

Коэффициент частотных искажений, как и коэффициент усиления, удобно измерять в децибелах:

Таким образом, в децибелах коэффициент усиления легко определяется по частотной характеристике, как разность коэффициентов усиления на средней и на данной частотах .

При М[дБ] = 0 частотные искажения отсутствуют.

Рабочим диапазоном частот, или полосой пропускания, называется область частот от f_н до f_в, в пределах которой частотные искажения не превышают допустимой величин.

Для усилителей звуковой частоты, входящих в первоклассную аппаратуру киноустановок и радиовещательную аппаратуру высшего класса, допускается неравномерность усиления не более ±2 дБ (или ±25%), так как при этом частотные искажения незаметны на слух.

Диапазон частот звукового сигнала, воспринимаемого ухом человека, от 16 до 20 000 Гц, однако аппаратура для обеспечения равномерного усиления при таком широком диапазоне частот оказалась бы очень дорогой и громоздкой. Исследования показали, что некоторое ограничение частотного диапазона сверху и снизу не приводит к заметному ухудшению качества звучания речи и музыки, но упрощает устройство.

Усилители для высококачественной записи и воспроизведения звука имеют рабочий диапазон частот от 30--40 до 12 000--16 000 Гц, для передвижной звуковоспроизводящей аппаратуры --от 60--80 до 8000--10 000 Гц (а для воспроизведения фотографической фонограммы 16-лш кинофильма --до 5000--6000 Гц), для телефонии, где важна главным образом разборчивость речи,-- от 200--300 до 3000-- 5000 Гц.

Фазовые искажения и фазовая характеристика

Фазовыми искажениями называют изменения формы кривой сигнала, вызванные непропорциональными фазовыми сдвигами, вносимыми усилителем для колебаний разной частоты.

Фазовые сдвиги возникают за счет реактивных сопротивлений, и их величина зависит от частоты сигнала. В результате этого нарушается взаимное расположение синусоидальных составляющих в выходном сигнале по сравнению с входным.

Фазовые искажения отсутствуют, если сдвиг фаз пропорционален частоте (рис. 2, б). При этом все составляющие сложного сигнала смещаются во времени на одну и ту же величину Дt₃ и их взаимное расположение сохраняется. Это условие практически в усилителях не выполняется. В области средних частот реактивные элементы мало влияют на работу усилителя и не вносят заметных фазовых сдвигов, а на нижних и верхних частотах фазовые сдвиги увеличиваются пропорционально частоте.

Зависимость угла сдвига фаз между выходным и входным напряжением от частоты называется фазовой характеристикой.

Вследствие физиологических особенностей слухового аппарата фазовые искажения на слух не воспринимаются. Поэтому при исследовании усилителей звуковой частоты фазовую характеристику обычно не строят. О величине фазовых искажений можно косвенно судить по частотной характеристике, так как фазовые и частотные искажения вносятся одними и теми же реактивными элементами схемы.

Рис. 2. Изменение формы кривой сигнала

В усилителях, имеющих цепи обратной связи, фазовые искажения могут привести к нарушению устойчивости, т. е. к возникновению генерации. При этом усилитель вырабатывает посторонние колебания, которые заглушают или искажают полезный сигнал.

В многокаскадном усилителе общий сдвиг фаз на данной частоте равен сумме фазовых сдвигов, вносимых отдельными каскадами. В усилителях с обратной связью, охватывающей несколько каскадов, применяют специальные фазокорректирующие элементы, уменьшающие фазовые искажения и увеличивающие тем самым устойчивость усилителя.

Нелинейные искажения. Коэффициент гармоник

Нелинейными искажениями называют изменения формы кривой сигнала, вызванные нелинейностью характеристик элементов схемы усилителя (транзисторов, ламп, диодов, трансформаторов).

При нелинейных характеристиках нет прямой зависимости между токами и напряжениями, вследствие чего при синусоидальном сигнале на входе выходной сигнал получается несинусоидальным. Чем больше нелинейность используемого участка характеристики, т. е. больше отклонение ее от прямой линии, тем сильнее искажается сигнал.

Появление нелинейных искажений в транзисторных усилителях иллюстрируется графиками рис. 3. При подаче синусоидального напряжения сигнала U_вх на базу транзистора в первый полупериод используется

Рис. 3. Нелинейные искажения: а - из-за нелинейности входной характеристики транзистора; б -- из-за неравномерности семейства выходных характеристик участок входной характеристики РБ, имеющий большую крутизну; поэтому кривая тока базы i_BX имеет большую амплитуду.

Во второй полупериод используется участок РА, крутизна которого уменьшается с уменьшением напряжения базы; поэтому кривая входного тока получается притуплённой (рис. 3а). Нелинейность входной характеристики --это одна из причин искажений выходного сигнала. Другие причины -- нелинейность выходных характеристик, а также неравномерность их расположения при разных токах базы: с увеличением тока базы характеристики ближе друг к другу (рис. 3 б). Из-за этого при синусоидальном входном токе (токе базы) форма кривой выходного тока искажается.

Получающуюся вследствие нелинейных искажений несинусоидальную кривую выходного сигнала можно разложить на синусоидальные (гармонические) составляющие. При этом первая (основная) гармоника имеет ту же частоту, что и несинусоидальная кривая, т. е. частоту входного сигнала, а остальные -- высшие гармоники -- имеют частоту в целое число раз больше основной. Например, при подаче на вход синусоидального сигнала с частотой 400 Гц на выходе помимо сигнала с частотой 400 Гц (основная гармоника) появятся колебания с частотой 800 Гц -- вторая гармоника, 1200 Гц -- третья гармоника и. т. д.

Высшие гармоники можно разделить на четные (вторая, четвертая, шестая и т. д.) и нечетные (третья, пятая, седьмая и т. д.).

В симметрично искаженной кривой, в которой оба полупериода, при наложении друг на друга совпадают, преобладают нечетные гармоники, а в несимметричной -- четные (рис. II.5). Наибольшую величину имеет, как правило, вторая или третья гармоника.

В рассмотренном случае появления нелинейных искажений предполагалось, что на вход усилителя подаются синусоидальные колебания одной определенной частоты. Тогда на выходе кроме основного сигнала появляются только высшие гармоники, которые субъективно воспринимаются как изменение тембра, поскольку добавляются к обертонам естественного источника звука и нарушают соотношения между ними и основным тоном.

Величина нелинейных искажений в этом случае измеряется коэффициентом гармоник k_r, который определяется как отношение суммарного действующего значения напряжения или тока высших гармоник к действующему значению напряжения или тока основной частоты:

Эти формулы равноценны, т. е. дают одинаковую величину k_r, если сопротивление нагрузки для всех гармоник одно и то же, что справедливо только в случае активного характера нагрузки.

В общем случае коэффициент гармоник зависит от отношения суммарной мощности всех высших гармоник к мощности основной частоты:

Нелинейные искажения наиболее велики в мощном оконечном каскаде, где амплитуда сигнала большая и предельно используются характеристики усилительных элементов, а также в выходном трансформаторе.

Рассмотренный наиболее простой случай -- усиления синусоидального колебания одной частоты -- на практике встречается очень редко. Обычно входной сигнал усилителя звуковой частоты представляет собой сложные колебания, состоящие из множества гармонических составляющих разных частот.

В этом случае нелинейность элементов усилителя, вызывая искажение формы кривой сигнала, приводит к появлению не только высших гармоник для каждой синусоидальной составляющей, но и к образованию так называемых комбинационных тонов -- колебаний с частотами, равными сумме или разности частот этих составляющих или их гармоник.

Например, при двух составляющих с частотами /₄ и /₂ на входе усилителя нелинейные искажения вызовут появление на выходе, помимо частот сигнала /i и /₂> высших гармоник с частотами 2/₄, 2/_2> 3/i, 3/_a, Af_u 4/₂ и т. д. и комбинационных частот: /_t + /₂, /_t -- f_2t 2/i + /2. 2/i --/2, ft + 2/₂, /j -- 2/₂ и т. д. Как видно, таких комбинаций может быть множество.

Субъективное восприятие нелинейных искажений определяется главным образом комбинационными частотами. Если высшие гармоники на слух воспринимаются как изменение тембра звука, то комбинационные тона приводят к тому, что звучание теряет свою чистоту» становится хриплым и дребезжащим, отдельные голоса и инструменты плохо различаются при хоровом пении или игре оркестра.

Нелинейные искажения проявляются тем сильнее, чем сложнее сигнал и шире диапазон частот усилителя.

Существуют различные способы измерения комбинационных тонов, однако они все очень сложны и практически редко применяются. Поэтому о нелинейных искажениях судят по величине коэффициента гармоник, тем более, что он позволяет также косвенно судить и о величине комбинационных тонов: при большей нелинейности цепи амплитуды гармоник и комбинационных тонов увеличиваются примерно в равной степени.

Для первоклассной звуковоспроизводящей аппаратуры коэффициент гармоник усилителя на средних частотах не должен превышать 0,5--1%, для массовой аппаратуры 1--2%.

В заключение подчеркнем, что нелинейные искажения приводят к появлению на выходе совершенно новых колебаний -- с частотами, которых не было во входном. сигнале, в то время как линейные искажения только нарушают соотношения между амплитудами и фазами тех составляющих разной частоты, которые содержал сигнал на входе.

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.

Принципы работы и характеристики

Принцип работы электродинамического громкоговорителя.

На рис. 4.1 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.



Рис..1. Схема конструкции динамического громкоговорителя: 1 -- магнитная система; 2 -- диффузор; 3 -- гофр; 4 -- купол; 5 -- центрирующая шайба; 6 -- подвижная катушка; 7 -- соединительный провод; 8 -- диффузородержатель; 9 -- каркас подвижной катушки

Частотная характеристика входного импеданса (полного сопротивления) такого громкоговорителя изображена на рис. 2. В диапазоне низких частот наблюдается подъем в области основной резонансной частоты f_u. Основной резонанс определяется главным образом массой диффузора и гибкостью подвеса диффузора. Выше основной резонансной частоты импеданс уменьшается на частоте электромеханического резонанса/,, которая

Рис. 2. Типичная частотная характеристика входного импеданса (полного сопротивления) Z электродинамического громкоговорителя: f₀ -- основная резонансная частота; Z_n -- номинальный импеданс определяется индуктивностью подвижной катушки и массой колеблющейся системы, преобразованной с помощью электромеханической связи в электрическую емкость.

На этой частоте преобладает активная составляющая импеданса подвижной катушки. В области более высоких частот импеданс снова растет вследствие возрастающего влияния индуктивности подвижной катушки.

Основной резонанс определяет нижний предел диапазона передаваемых частот. При сильном демпфировании этого резонанса можно настолько сгладить резонансную кривую, что появится возможность использовать частоты, более низкие по отношению к основной резонансной частоте.

Максимальное поглощение электрической мощности громкоговорителем лежит в области минимума импеданса, находящейся выше основного резонанса. Это поглощение определяется активным сопротивлением подвижной катушки. Входной импеданс в этой области называют номинальным импедансом громкоговорителя Значения номинального импеданса громкоговорителей стандартизованы и составляют 4, 8 или 16 Ом. Реальный импеданс не должен быть ниже одного из этих значений и не должен превышать их более чем на 20%.

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



Рис. 3. Индекс направленности усиления звуковой колонки ITC 101 в полярных координатах, с указанием углов излучения к рабочей оси а и звуковым давлением р₀ на рабочей оси, измеренными на равном расстоянии от акустического центра (так называемый «центр вращения» -- расположен на переднем плане в месте нахождения подвижной катушки громкоговорителя или, для комбинированного громкоговорителя, в месте нахождения ВЧ - излучателя).

Логарифмический эквивалент коэффициента направленности -- индекс направленности:

На рис. 3 изображена в полярных координатах диаграмма направленности усиления колонки ITS 101. Как можно видеть, основной максимум находится в точке 0°, но также имеется несколько вторичных максимумов на высоких частотах.

Важный параметр для покрытия поверхности прямым звуком -- угол излучения Ф. Он представляет собой пространственный угол, в котором индекс направленности падает относительно осевого значения на 3 или 6 дБ (может быть и другое значение): чем выше направленность, тем меньше угол излучения .

...