Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы

Процессы образования звуков речи и формирования певческого голоса еще далеко не изучены. Пока мы еще не можем полностью разобрать на части такую сложную характеристику, как красота певческого голоса. И вместе с тем такие точные показатели, как частота вибрато, сила голоса, частотные границы, средние частоты формантных областей, помогают оценивать голосовые данные, помогают формировать красивые голоса при обучении певцов.

При разговоре и пении человек расходует на создание звуковых волн очень небольшую мощность — даже для громких звуков она не превышает 1 вт. Но лишь очень небольшая часть этой небольшой мощности передается самим звуковым колебаниям, так как коэффициент полезного действия (к. п. д.) нашего речевого аппарата составляет 0,2–1 %. Таким образом, расходуя мощность 1 вт, мы излучаем звуковые колебания мощностью не более 0,01 вт (10 мет). Попутно заметим, что к. п. д. большинства музыкальных инструментов также очень мал: как правило, меньше 0,1 %.

По мере удаления от излучателя сила звука резко убывает. Здесь действует так называемая квадратичная зависимость: если увеличить расстояние в два раза, то сила звука уменьшится в четыре раза; при увеличении расстояния в десять раз сила звука падает в сто раз.

Все приведенные цифры говорят о том, что уху достаются очень слабые звуковые сигналы. Это особенно сильно ощущается, если собеседник находится далеко от нас и его голос теряется на фоне различных посторонних шумов. Когда уровень этих шумов невелик, например в ночное время, дальность разговорной связи заметно возрастает. Однако даже в самых благоприятных условиях наибольшее расстояние, на котором люди могут переговариваться или «перекрикиваться», не превышает нескольких тысяч метров.

Звуковой связью пользуются многие представители живого мира. Примитивной звуковой связью пользовались и первобытные люди. А затем она послужила основой для развития разумной речи, для развития мышления.

Очень четко об этом сказал Фридрих Энгельс: «Сначала труд, а затем и вместе с ним членораздельная речь явились двумя самыми главными стимулами, под влиянием которых мозг обезьяны постепенно превратился в человеческий мозг…»

Но если наших далеких предков вполне устраивала звуковая связь, то ее оказалось явно недостаточно в наш век — век больших скоростей, могучей промышленности, в век сложных экономических связей между отдаленными районами. На помощь медленному звуку пришел электрический сигнал, который мгновенно и без устали проходит огромные расстояния. С помощью такого замечательного союзника древнейшее изобретение природы — звуковая связь — начало совершенно новую жизнь.

В линиях акустической связи звуковые волны переносят информацию. Но каким образом записана эта информация, чем отличаются одни звуковые сигналы от других, как закодирована звуковая «телеграмма»?

Мы уже знаем, что различные звуки имеют разную форму кривой графиков, то есть различный спектральный состав. Именно в форме кривой звука, в его спектральном составе «записаны» знакомые слова, именно набором синусоидальных составляющих звук, несущий «да», отличается от звука, несущего «нет».

По образцу звуковых колебаний можно создать электрические колебания с такой же формой кривой, а значит, и с таким же спектром. В этом случае в электрических колебаниях будет записана та же информация, что и в звуковых. Электрическую копию звука можно передать на большие расстояния, отправить на длительное хранение («записать»), во много раз усилить ее мощность и, наконец, когда это понадобится, вновь превратить в звук.

В следующей главе мы познакомимся с некоторыми участниками этих интересных преобразований.

Глава II

БРИГАДА ПЕРЕВОДЧИКОВ

Общая схема передачи звука с помощью электрических сигналов выглядит так.

Первое. На передающей стороне с помощью звуковых волн создают переменный ток, график которого в точности соответствует графику звукового давления. Иными словами, на передающей стороне создается электрическая копия звука, звуковые колебания переводят на электрический «язык».

Второе. Копия звука — переменный ток — передается по линии связи. Не будем пока думать о том, как происходит эта передача. Отметим лишь, что электрический сигнал двигается со скоростью 300 000 000 м/сек, то есть почти в миллион раз быстрее звука, и легко преодолевает большие расстояния.

Третье. На приемной стороне с помощью переменного тока создают звук, колебания переводят с электрического «языка» на акустический. Вам, конечно, хорошо известны такие системы электросвязи, как телефон и радиотелефон. Обе они как раз и работают по схеме «звук — электричество — звук». При телефонной связи электрическая копия звука передается по проводам. В системе радиосвязи электрическая копия путешествует от передатчика к приемнику в виде электромагнитных волн. Однако независимо от способа передачи электрического сигнала, в любой из этих систем должны быть переводчики, превращающие звуковые колебания в электрические (передающая сторона) и электрические в звуковые (приемная сторона).

Сейчас нам предстоит познакомиться с электроакустическими переводчиками — микрофонами и громкоговорителями. Но прежде несколько слов о главном требовании, которое к ним предъявляется. Это требование можно сформулировать так: «Переводчик не должен врать».

Что нужно для того, чтобы громкоговоритель воспроизвел точно такой же звук, какой «услышал» микрофон? Для этого прежде всего необходимо, чтобы графики этих звуков были одинаковыми, чтобы у них был один и тот же спектральный состав. Ведь именно формой графика, спектральным составом отличаются одни звуки от других: звук «а» от «б», пионерская песня от старинного вальса.

Задача неискаженной передачи звука распадается на три основные части. Во-первых, нужно без искажений преобразовать звук в ток. Нужно, чтобы график тока был в точности похож на график звука, чтобы спектр тока (ток сложной формы можно представить как сумму синусоидальных токов) в точности соответствовал спектру звука. Во-вторых, нужно, чтобы весь спектр сложного тока, все его составляющие без изменения пропорции прошли по всем электрическим цепям. В-третьих, сложный ток должен быть без искажений преобразован в звук.

К сожалению, наши переводчики не всегда пунктуальны. В процессе преобразований «звук-ток» и «ток-звук», впрочем, так же, как и при передаче электрической копии по линии связи, могут возникать искажения спектра, которые, естественно, означают искажение звука.

Что такое "плохо"?

Возможны три вида искажений спектра: нелинейные, частотные и фазовые. Мы с вами будем обращать внимание только на первые два вида (нелинейные и частотные), так как третий вид искажений — фазовые — наше ухо практически не замечает.

Из-за нелинейных искажений в спектре сигнала, в данном случае в спектре звука, излучаемого громкоговорителем, появляются посторонние составляющие (рис. 16). Пример: перед микрофоном звучит чисто синусоидальный тон с частотой 100 гц, а громкоговоритель воспроизводит сложный, то есть уже непохожий, искаженный звук с составляющими 100 гц, 200 гц, 300 гц и т. д. Грубо говоря — перед микрофоном играет скрипка, а слышится тромбон.

Источником подобных искажений может быть любой элемент — например, микрофон или громкоговоритель — с нелинейной характеристикой. Сейчас мы попытаемся выяснить, что означает и к чему приводит это качество — нелинейность.

Нелинейность можно встретить в любом природном явлении: она играет важную роль в работе многих технических и особенно электронных устройств. Однако для того, чтобы не уходить далеко в сторону, мы познакомимся с нелинейной характеристикой на примере самого популярного «переводчика» — электродинамического преобразователя, который выступает как в роли микрофона, так и в роли громкоговорителя. Главные детали этого преобразователя — магнит, катушка и связанный с нею легкий упругий диффузор (рис. 13, 14, 1 и 20, 1).

Рис. 13. Электродинамический преобразователь, подобно генератору, может преобразовать звук в ток (микрофон) либо, подобно двигателю, ток в звук (громкоговоритель).

рис. 14, 1

рис. 20, 1

Вы знаете, что вблизи катушки, по которой проходит ток, возникает магнитное поле с явно выраженными полюсами — северным и южным. Если поместить катушку нашего преобразователя в поле постоянного магнита (рис. 13) и пропустить по ней переменный ток, то в результате взаимодействия магнитных полей катушка придет в движение. При этом «танец» будет в точности следовать за «музыкой», отклоняясь, катушка будет следовать за всеми изменениями тока. Связанный с катушкой диффузор подобно струне увлечет за собой окружающий воздух и создаст звуковые волны — акустическую копию переменного тока. Так работает электродинамический громкоговоритель, иногда для краткости называемый динамиком.

Громкоговоритель — это своеобразный двигатель, превращающий электроэнергию в механическую работу. Микрофон можно смело назвать генератором, так как в нем происходит обратный процесс — за счет энергии звуковых колебаний создается ток.

Известно, что если двигать проводник в магнитном поле, то в результате электромагнитной индукции (наведения) на концах этого проводника появится э. д. с. (электродвижущая сила). Подключим к проводнику нагрузку, то есть создадим замкнутую электрическую цепь, и под действием наведенной э. д. с. в цепи пойдет электрический ток. Чем быстрее движется проводник, тем больше наведенная э. д. с., тем больше и ток в цепи.

Когда на электродинамический преобразователь попадают звуковые волны, они увлекают за собой диффузор, и он колеблется, повторяя все изменения звукового давления. Вместе с диффузором приходит в движение расположенная в магнитном поле катушка, и в ее цепи появляется ток — электрическая копия звуковых колебаний. Так работает электродинамический микрофон.

Работу громкоговорителя и микрофона можно проиллюстрировать с помощью графиков. Один из таких графиков приведен на рис. 15. Он показывает, как диффузор громкоговорителя отклоняется от условной средней линии положения покоя. Из графика видно, что, чем больше ток, тем дальше отклоняется диффузор, а токам разного направления соответствует отклонение в разные стороны (вперед-назад). Приведенный график часто называют амплитудной характеристикой.

Обратите внимание: при сравнительно небольших изменениях тока, в пределах от —2 до +2 а, график представляет собой прямую линию. В таких случаях обычно говорят, что зависимость между отклонением диффузора и током в катушке носит линейный характер. Как видите, на линейном участке отклонение растет прямо пропорционально току. Увеличение тока на 1 а всегда дает отклонение на 0,5 мм.

Рис. 15. В некотором интервале (на этом рисунке от —2 а до +2 а) амплитудная характеристика громкоговорителя линейна: отклонение диффузора прямо пропорционально току в звуковой катушке.

Для токов, больших, чем 2 а, линейный характер зависимости уже нарушается, на графике появляются изогнутые (нелинейные) участки, так называемые загибы. Появление их объясняется очень просто — ток не может беспредельно отклонять диффузор, иначе в какой-то момент он просто сорвется с места и улетит на Луну[5]. Диффузор закреплен достаточно прочно, и амплитуда его отклонений ограничена. Вот почему после некоторого значения тока (в нашем примере 2 а) отклонение становится все меньше и меньше и, наконец, при токе 3 а почти совсем прекращается. Именно об этом и говорят нелинейные участки — загибы на графике.

До тех пор пока громкоговоритель работает на линейном участке (ток не более 2 а) и отклонение прямо пропорционально току (каждый ампер отклоняет диффузор на 0,5 мм), преобразование «ток — звук» происходит без нелинейных искажений — переводчик «не врет». Именно об этом рассказывает тройной график на рис. 16. С подобными графиками нам предстоит встретиться во всех разделах книги, а поэтому есть смысл сразу же выяснить, как они строятся и о чем говорят.

Рис. 16. Если ток в звуковой катушке выходит за пределы линейного участка, возникают нелинейные искажения: изменяется форма сигнала, и в его спектре появляются посторонние составляющие.

Основой совмещенного тройного графика (рис. 16) является уже знакомая нам (рис. 15) амплитудная характеристика громкоговорителя (А), показывающая, как отклонение диффузора зависит от тока в катушке. Снизу к этой характеристике пристроен график тока (Б). Он показывает, как меняется ток с течением времени. График тока очень похож на графики колебаний струны (рис. 1) и звукового давления (рис. 4). На рис. 16 график тока выглядит несколько непривычно только потому, что мы его положили набок. Сделано это для того, чтобы ось тока легла параллельно такой же оси на амплитудной характеристике громкоговорителя. Теперь мы можем быстро и легко определять отклонение диффузора для любого момента времени: достаточно перебросить мостик — пунктирную линию от графика тока к характеристике громкоговорителя.

Попробуем сделать последний, третий шаг — построить график отклонения (В), который покажет, как колеблется диффузор, в какую сторону и насколько он отклоняется в тот или иной момент. Последовательность построения такова: выбираем какой-либо момент времени на графике отклонений (например, 0,01 сек); берем такой же момент времени на графике тока; находим для этого момента времени величину тока (+ 2 а); по характеристике громкоговорителя находим соответствующее этому току отклонение диффузора (1 мм); переносим найденную величину на график отклонений и делаем отметку против выбранного значения времени (0,01 сек).

Сделав достаточно большое количество таких построений, мы и получим график отклонений диффузора. Подобные тройные графики часто строят на основе характеристики электронной лампы, полупроводникового прибора, трансформатора и т. д.

График для первого периода, то есть до момента 0,04 сек, показывает, что если громкоговоритель работает на линейном участке амплитудной характеристики, то отклонение и ток имеют одинаковую форму кривой, а значит, и одинаковый спектральный состав.

Совсем иначе обстоит дело, если переменный ток выходит на нелинейный участок характеристики (амплитуда тока более 2 а). В этом случае (во время второго периода колебаний, от 0,04 до 0,08 сек) прямая пропорция между отклонением диффузора и током в катушке нарушается, верхушки графика отклонения получаются приплюснутыми, форма кривой изменяется и в спектре появляются новые составляющие.

Появление этих новых составляющих (в нашем случае это гармоники с частотой 2f, 3f и т. д.) является следствием нелинейности характеристики (в нашем случае — характеристики громкоговорителя) и называется нелинейным искажением сигнала (в нашем случае — звука). Если бы характеристика была линейной, то форма кривой не была бы искажена и в спектре не оказалось бы посторонних составляющих.

В заключение нам остается договориться о количественной оценке — ввести коэффициент нелинейных искажений К_н.и. Этот коэффициент (иногда его называют «клирфактор» — показатель ясности — и обозначают К_f) показывает, насколько сильны новые, появившиеся в результате искажений составляющие, сколько процентов общей мощности приходится на их долю. Вот как подсчитывается этот коэффициент:

Существуют приборы, которые, анализируя спектр на входе и на выходе какого-либо устройства, могут очень точно измерить коэффициент нелинейных искажений. Предварительно отметим, что при воспроизведении музыки ухо обычно замечает нелинейные искажения уже начиная от 4–7 %. При больших значениях К_н.и нелинейные искажения заметны сильнее. Они меняют тембр звука, создают посторонние призвуки и неприятное хрипение (рис. 17). Особенно неприятны нелинейные искажения, когда, кроме гармоник (их частота кратна основной), появляются составляющие с комбинационными частотами.

Рис. 17. В результате нелинейных искажений звук становится хриплым, дребезжащим, загрязненным посторонними призвуками.

Как видите, нам пришлось провести большую подготовительную работу и затратить довольно много времени, чтобы пояснить, что такое нелинейные искажения. О том, что такое частотные искажения, рассказать намного проще — это просто неодинаковое, «несправедливое» отношение к составляющим различных частот. Пример: подводим к громкоговорителю три синусоидальных переменных тока с разными частотами и с одинаковой — подчеркиваем, с одинаковой (!) — амплитудой, а он, громкоговоритель, создает три звука разной — заметьте, разной (!) — силы (рис. 18). Это значит, что громкоговоритель вносит частотные искажения — неодинаково хорошо преобразует в звук переменные токи разных частот.

Рис. 18. В результате частотных искажений меняется соотношение между составляющими сложного звука, меняется его тембр, ослабляется звучание некоторых инструментов.

Причины частотных искажений громкоговорителя различны. Вот одна из них: на высших частотах начинает сказываться инерция диффузора, он не поспевает за быстрыми изменениями тока и поэтому с повышением частоты все хуже излучает звук.

Чтобы можно было судить о частотных искажениях в каком-либо устройстве, в том числе в громкоговорителе и микрофоне, чаще всего рисуют его частотную характеристику. Частотная характеристика громкоговорителя (рис. 19) показывает, как изменяется звуковое давление или сила звука, если менять частоту переменного тока в звуковой катушке, поддерживая неизменной его амплитуду.

Опорной точкой частотной характеристики договорились считать частоту 1000 гц. Работу громкоговорителя или микрофона на других частотах сравнивают с тем, что они дают на частоте 1000 гц, и, исходя из этого, говорят о завале или подъеме частотной характеристики, то есть об ослаблении или усилении тех или иных составляющих.

Четыре возможные частотные характеристики показаны на рис. 19, внизу справа. На первой из них (а) завалены низшие частоты, на второй (б) — высшие. К сожалению, в реальном случае оба эти недостатка объединяются: обычно завалены как высшие, так и низшие частоты (в).

Рис. 19 Частотная характеристика громкоговорителя показывает, как изменяется звуковое давление при изменении частоты тока (синусоидального) в звуковой катушке; величина тока на всех частотах одинакова.

Звуковое давление или силу звука, как правило, указывают в децибелах, и это позволяет довольно просто оценить степень подъема (обозначают знаком «+»), либо завала (знак «—») характеристики, степень частотных искажений. За нулевой уровень принимают звуковое давление (силу звука) на частоте 1000 гц.

Иногда вводят коэффициент частотных искажений — К_ч.и, который показывает, на сколько децибелов (или, что то же самое, во сколько раз) сила звука на той или иной частоте сильнее или слабее, чем на частоте 1000 гц. Так, если указано, что К_ч.и-200 = 20 дб, а К_ч.и-5000 = —10 дб, то это означает, что при одном и том же токе в звуковой катушке сила звука на частоте 200 гц будет в 100 раз (на 20 дб) больше, а на частоте 5 кгц в 10 раз (на 10 дб) меньше, чем на опорной частоте 1000 гц.

По частотной характеристике легко определить значение К_ч.и для любой частоты.

Частотные искажения, так же как и нелинейные, приводят к изменению формы сигнала (в частности, звука), к изменению его спектра. Однако в результате частотных искажений никаких новых составляющих не возникает, а лишь меняется соотношение старых. При этом резко меняется тембр звука, из оркестра исчезают целые группы инструментов, неузнаваемыми становятся голоса певцов. Завал низших частот резко ослабляет звучание контрабаса, барабана, рояля. Если завалены высшие частоты, то прежде всего исчезают скрипки и флейты, звук становится глухим, бубнящим.

Конечно, нам хотелось бы, чтобы частотная характеристика всех наших переводчиков и других звеньев системы передачи звука была идеальной, то есть имела бы вид прямой линии во всем диапазоне от 16 гц до 22 кгц (рис. 19, г.).

В этом случае соотношение между всеми слышимыми составляющими сложных звуков оставалось бы неизменным и мы были бы гарантированы от изменений тембра и других подобных неприятностей. Но (опять эти «но»!) создание идеальной частотной характеристики во всем диапазоне слышимых частот — задача чрезвычайно сложная, и эту сложность вы вскоре почувствуете сами. Конструкторы, конечно, стремятся к равномерной частотной характеристике, но в разумных пределах. В дорогих и сложных системах высококачественного звучания диапазон воспроизводимых частот должен быть весьма широким. В простых, недорогих установках приходится идти на значительное сужение диапазона, а значит (что поделаешь!), на заметные частотные искажения, на ухудшение качества звучания.

В результате большого числа экспериментов было предложено все аппараты для воспроизведения звука разделить на четыре класса (не путайте с классами приемников — здесь нет прямого совпадения) и для каждого из них установить такую полосу частот:

Высший класс — от 30–40 гц до 14–15 кгц (неискаженное воспроизведение звука); неравномерность характеристики — 6 дб.

Первый класс — от 50 гц до 10 кгц (высококачественное воспроизведение звука); неравномерность характеристики — 6 дб.