Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы

Второй класс — от 100 гц до 6 кгц (воспроизведение среднего качества); неравномерность характеристики — 16 дб.

Третий класс — от 150–200 гц до 4 кгц (воспроизведение низкого качества); неравномерность характеристики — 16 дб.

Переход в каждый следующий, более высокий класс, например из третьего во второй или из второго в первый, связан со значительным усложнением аппаратуры. Оправдано ли это? Стоит ли затрачивать энергию, время, средства на то, чтобы на несколько килогерц расширить частотную характеристику?

Для разборчивого воспроизведения речи вполне пригодна аппаратура третьего класса. Как правило, нас удовлетворяет даже обычный телефон, где верхняя граничная частота составляет 2,5 кгц, а иногда даже 1,5 кгц. Голос собеседника при этом очень сильно искажен, однако обычно это нас не огорчает — главное, чтобы был понятен смысл сказанного. Совсем иначе обстоит дело с воспроизведением музыки.

Здесь мы уже не можем сказать: «Искажения? Пустяки! Главное, чтобы можно было догадаться, какая мелодия…»

При воспроизведении музыки искажения, и в первую очередь частотные, могут оказаться той самой ложкой дегтя, с которой и бочка меда не нужна. Во всяком случае, аппаратура третьего класса воспроизводит музыку с весьма заметными искажениями, и звучит эта музыка, прямо скажем, плохо.

Правда, точных границ между «хорошо» и «плохо» никто не устанавливал — заметность частотных искажений, так же как и нелинейных, зависит от многих факторов и в том числе от вкуса слушателя, его музыкальности, тренировки, тонкости слуха и, если хотите, от настроения и характера. Есть люди, для которых «лишь бы играло», «лишь бы музыка», а то, что под эту музыку даже не всякий цирковой слон согласится танцевать, — для них это несущественно. Наверняка никто из нас не захочет есть пирожное, в которое кондитер по рассеянности вместо сахара и крема положил горчицу и перец.

А вот музыку, в каждый звук которой композитор вложил определенный смысл, определенные мысли и чувства, мы иногда готовы проглотить, не замечая «перца» и «горчицы».

О качестве звучания, о высокой верности воспроизведения звука мы еще не раз будем вспоминать. Но сейчас, поскольку к слову пришлось, хочется посоветовать: сравните звучание карманного приемника (от него многого не потребуешь, здесь главное — габариты, вес, экономичность) и хорошей радиолы первого или даже второго класса. Такое сравнение наверняка поможет вам понять, «на что идут деньги», зачем мы строим сложную и дорогую звуковоспроизводящую аппаратуру высоких классов, почему добиваемся минимальных частотных и нелинейных искажений.

Мы с вами в самом общем виде познакомились с принципом работы главных переводчиков, с некоторыми характеристиками их работы. Теперь поговорим о конкретных типах громкоговорителей и микрофонов, применяемых в радиолюбительской аппаратуре. Начнем с микрофонов.

Все начинается с микрофона

Данные некоторых распространенных микрофонов приведены в табл. 7.

В ней наряду с уже знакомыми нам характеристиками — полоса частот и неравномерность частотной характеристики (рис. 21) — вы встретите и незнакомые. Среди них — чувствительность. Она показывает, какое напряжение дает микрофон под действием звукового давления 1 н/м2.

Рис. 21. Частотная характеристика микрофона показывает, как зависит выходное напряжение от частоты звука при неизменном звуковом давлении.

Чем лучше микрофон преобразует звуковую энергию в электрическую, тем больше его выходное напряжение при одном и том же звуковом давлении, тем, следовательно, выше чувствительность [3].

В табл. 7 указано также рекомендованное сопротивление нагрузки, то есть сопротивление, на которое должна работать звуковая катушка микрофона. Если сделать сопротивление нагрузки больше, то возрастут искажения, а если меньше — снизится чувствительность.

Есть микрофоны (они называются направленными), которые по-разному реагируют на звуки, идущие с различных направлений. Иногда такие микрофоны очень удобны — они, например, хорошо «слышат» голос певца и «не обращают внимания» на шум в зале. Можно построить своего рода карту, которая покажет, как меняется чувствительность при изменении направления звука. Такая карта (рис. 22) называется диаграммой направленности. Ее легко получить, если обойти с источником звука вокруг микрофона и одновременно измерять выходное напряжение. Наиболее часто встречаются диаграммы трех видов: круговая (ненаправленный микрофон — НН), кардиоидная, то есть напоминающая очертания сердца (однонаправленный микрофон — ОН), и «восьмерка» (двунаправленный микрофон — ДИ). Сокращенные обозначения вида направленности приведены в таблице.

Рис. 22. Диаграмма направленности микрофона показывает, как зависит его чувствительность от направления, с которого приходит звук. Различают микрофоны ненаправленные (НН), однонаправленные (ОН) двунаправленные (ДН).

Среди всех электродинамических микрофонов (МД) есть несколько типов (МД-41, МД-47, МД-55) с весьма высокой чувствительностью. Она достигается благодаря тому, что внутри микрофона установлен миниатюрный трансформатор или автотрансформатор, повышающий выходное напряжение. Без такого трансформатора чувствительность микрофона резко падает и мало отличается от чувствительности других динамических микрофонов.

Высокое рекомендованное сопротивление нагрузки микрофонов также всегда связано с использованием трансформаторов.

Микрофонный трансформатор повышает выходное напряжение в 15–25 раз. Вот данные одного из таких трансформаторов (микрофон МД-47). Первичная обмотка — 140 витков, провода ПЭЛШО — 0,25; вторичная обмотка — 3500 витков, провода ПЭВ = 0,13; сердечник — кольцо, свернутое из пермаллоевой ленты шириной 9 мм. Для того чтобы защитить трансформатор от внешних электрических и магнитных полей, его прячут в экран из толстого (до 5–8 мм) пермаллоя или мягкой стали. С той же целью оба провода, которые выходят из микрофона, заключены в экранирующий чулок.

В последние годы получили распространение миниатюрные электромагнитные микрофоны М-1 (для транзисторных слуховых аппаратов), ДЭМШ-1 и ДЭМ-4м. По своему устройству они напоминают хорошо всем известный электромагнитный преобразователь — головной телефон (наушник). Основой здесь являются постоянные магниты, прилегающая к ним неподвижная катушка с весьма большим числом витков и легкая подвижная стальная мембрана (рис. 20, 2).

рис. 20, 2

Электромагнитные преобразователи устроены так, что колебания мембраны приводят к изменению магнитного поля катушки, и на ее концах появляется э. д. с. И наоборот, если пропустить по катушке низкочастотный переменный ток, то мембрана придет в движение и создаст звуковые волны. Это значит, что электромагнитные переводчики, так же как и электродинамические, могут работать как в качестве микрофона, так и в качестве громкоговорителя (здесь, пожалуй, вместо «громко» правильнее было бы поставить «тихо»).

Головной телефон (ТОН-1) мы ввели в таблицу не только для сравнения. Когда под руками не найдется ничего другого, как говорят радисты, «в аварийном случае», он может взять на себя и роль переводчика-микрофона.

Особую группу составляют так называемые пьезомикрофоны (рис. 20, 3). «Сердце» такого микрофона — кристалл с пьезоэлектрическим эффектом. При сжатии или растяжении этого кристалла на нем появляется электрическое напряжение. Благодаря этому пьезокристалл прекрасно справляется с обязанностями переводчика: под действием звуковых волн, то есть под действием переменного звукового давления, создает переменное напряжение — электрическую копию звука. Иногда любители применяют пьезомикрофоны от слуховых аппаратов «Звук», «Слух» и «Кристалл».

рис. 20, 3

В таблице вы найдете и микрофонные капсюли от телефонных аппаратов (МК-10, МК-59). Вы, очевидно, знаете, как работают эти переводчики. Под действием звуковых волн меняется давление на угольный порошок, которым заполнен капсюль (рис. 20, 4), меняется плотность, а значит, и электрическое сопротивление порошка. Если пропустить через капсюль ток, то, согласно закону Ома (величина тока зависит от сопротивления цепи), он будет меняться, превращаясь в электрическую копию звука.

рис. 20, 4

Сам по себе угольный капсюль — это еще не микрофон. К нему необходимо добавить источник постоянного тока, например батарейку на 1–1,5 в. Кроме того, капсюль обычно включают через трансформатор (Тр-м), который отделяет переменный ток от постоянного. Постоянный ток, как известно, через трансформатор не проходит, и поэтому во вторичную обмотку (обмотка II) попадает лишь основная продукция микрофона — переменное напряжение низкой частоты. Существуют и другие схемы включения угольных микрофонов (рис. 68, 7).

Главное достоинство угольных микрофонов — высокая чувствительность — определяется тем, что на создание электрической копии звука расходуется энергия батареи. Начальную величину тока, от которой сильно зависит чувствительность, устанавливают в зависимости от общего сопротивления капсюля. Для низкоомных капсюлей (сопротивление до 50 ом) рекомендуется сила тока до 80 ма, для среднеомных (70—150 ом) — не более 50 ма и для высокоомных (150–300 ом) — не более 25 ма. Если уменьшить начальный ток, уменьшится и чувствительность, но при этом снизятся все виды искажений.

Самое главное, что нужно знать об электромагнитных телефонах (наушниках) и угольных капсюлях, — это то, что их нельзя вынимать из телефонных аппаратов и особенно из телефонов-автоматов. Тот, кто выдернет капсюль или наушник из действующего телефона, — самый настоящий преступник. Сам того не зная, он может стать даже убийцей. Не верите? А вы представьте себе, как ночью люди мечутся от одного испорченного телефона к другому, тщетно пытаясь вызвать «скорую помощь» или пожарную машину…

Наушники и капсюли стоят недорого, и не так-то уж сложно их купить. Ну, а если вы не найдете их в магазине, обратитесь на любой телефонный узел, в любую воинскую часть связи, и вам там наверняка не откажут. Вы уже, очевидно, обратили внимание на то, что вся табл. 7 разделена на три части. В первую попали так называемые профессиональные микрофоны, предназначенные для студий радиовещания, телевидения и звукозаписи, для концертных залов. Любители такие микрофоны применяют редко: они нужны лишь тогда, когда все остальное оборудование, в том числе и студия, где установлен микрофон, достойны его высоких качественных показателей.

Третья, самая нижняя часть таблицы отводится микрофонам, для которых характерны сравнительно большие искажения, особенно частотные. Для речевых передач эти микрофоны еще пригодны, а вот музыку могут сильно исказить.

Наиболее широко радиолюбители применяют динамические микрофоны, данные которых приведены в средней части табл. 7. В этих микрофонах простота, надежность и сравнительно невысокая стоимость сочетаются с вполне удовлетворительными характеристиками. Любительские микрофоны обычно отличаются высокой чувствительностью (за счет трансформатора) при довольно широкой полосе частот.

У микрофона есть много «коллег», которые так же, как и он сам, создают электрические копии звуковых колебаний. Разница лишь в том, что микрофон, образно говоря, переводит на электрический язык то, что слышал сам, а его «коллеги» специализировались на переводе письменных источников. Вы уже, очевидно, догадались, что «коллеги», о которых идет речь, — это считывающие устройства в системах звукозаписи: магнитные головки, звукосниматели, фотоэлементы. Многие «коллеги» одновременно являются близкими «родственниками» микрофона, так как очень похожи на него по своему устройству и принципу действия.

Записать звук — это значит создать своего рода график — его называют фонограммой, в котором каким-то образом отражались бы изменения звукового давления. Так, фонограмма звукового кино — это узкая прозрачная полоска (рис. 23, а, 24, а), ширина которой меняется, чем-то напоминая кривую на обычном графике звука. От ширины прозрачной полоски зависит количество света, попадающего на фотоэлемент. Поэтому, когда пленка движется перед фотоэлементом, ток в его цепи меняется, превращаясь в электрическую копию записанного звука. В реальных киноустановках с фотоэлемента получают низкочастотное напряжение 0,5–5 мв.

Рис. 23. Записать звук — это значит создать своего рода график (фонограмму), где тем или иным способом будет отмечено, как менялось звуковое давление с течением времени.

Рис. 24. При воспроизведении звука считывающее устройство (фотоэлемент, магнитная головка, звукосниматель) «просматривает» фонограмму и создает электрический сигнал — копию звука. В дальнейшем эта электрическая копия превращается в звук.

Магнитная фонограмма — это тоже своего рода график, нарисованный «магнитными чернилами». Изменения звукового давления отражены в изменениях намагниченности стальной проволоки или специальной пленки с тонким слоем окислов железа. Чем громче звук, чем выше амплитуда звукового давления, тем сильнее магнитный след, оставленный на фонограмме в процессе записи. Пленка движется мимо тонкой щели магнитной головки (катушка на сердечнике), плотно прилегая к ней (рис. 24, б). При этом меняется магнитное поле, которое пленка создает в сердечнике, и в катушке наводится переменный ток. Ток повторяет все изменения намагниченности пленки, то есть в итоге все изменения звукового давления. Как видите, воспроизводящая магнитная головка по принципу действия чем-то напоминает электромагнитный микрофон (рис. 24, б). Типичные головки развивают низкочастотное напряжение до 0,5—10 мв.

Самая простая, самая популярная и, пожалуй, самая удобная фонограмма — это обычная граммофонная пластинка. Звук записан на пластинке (диске) в виде тонкой извилистой спиральной канавки, а «считывание» осуществляет звукосниматель, игла которого тщательно «ощупывает» канавку (рис. 23, в, 24, в).

В последние годы достигнуто весьма высокое качество грамзаписи. В частности, частотная характеристика фонограммы лежит в пределах 100 гц — 16 кгц при неравномерности до 20 дб. А еще недавно частота 4,5 кгц считалась предельной. С появлением долгоиграющих пластинок в значительной мере уменьшился главный недостаток грамзаписей — высокий уровень собственных шумов.

Современные звукосниматели очень напоминают пьезоэлектрический микрофон. Игла, двигаясь по звуковой канавке, колеблется, следуя за всеми ее изгибами. Колебания иглы передаются пьезокристаллу, и на нем появляется переменное напряжение низкой частоты. Внешний вид, устройство и основные детали одного из распространенных звукоснимателей показаны на рисунке 20, 5, б.

рис. 20, 5, б

Вот некоторые цифры, характеризующие его работу: вес звукоснимателя, приведенный к концу иглы, не превышает 5—12 г; диаметр кончика иглы для обычных пластинок 20 мк. для долгоиграющих — 8 мк; амплитуда колебаний иглы, соответствующая самым громким звукам, — 30 мк, самым тихим — 0,3 мк; этим колебаниям соответствует напряжение на кристалле 2 и 200 мв; рекомендованное сопротивление нагрузки звукоснимателя 100–500 ком.

На этом мы заканчиваем знакомство с микрофоном, его «коллегами» и «родственниками». Настала очередь громкоговорителей.

Громкоговоритель

Конструктивной основой электродинамического громкоговорителя (рис. 14, 1) можно считать штампованный корпус из довольно толстой (0,5–2 мм) листовой стали. К нему прикреплена магнитная система, которая чаще всего имеет форму стакана или скобы. Сам постоянный магнит изготовлен из специальных сплавов АЛНИ, АНМ, АНКО, в которые входят железо, алюминий, никель, а в последний сплав — еще и кобальт. В последнее время широко применяется магнитная керамика — фероксдур. Это особым образом спрессованные порошки окислов железа и бария, сильно намагниченные и спекшиеся при высокой температуре. Керамические магниты официально называют МБА — магниты бариевые анизотропные. Магнитную систему конструируют так, чтобы самое сильное поле было в зазоре между керном и фланцем, то есть там, где находятся витки звуковой катушки.

Звуковая катушка намотана на плотном бумажном или картонном каркасе и вся вместе с обмоткой пропитана бакелитовым лаком. Обмотка выполнена медным проводом диаметром 0,1–0,12 мм (малая мощность) или 0,15—0,2 мм (мощность более 1 ва). Провод уложен в два, а иногда и четыре слоя, чтобы оба вывода были направлены в сторону диффузора. Наиболее распространены катушки с сопротивлением 2—12 ом (табл. 8), и поэтому динамические громкоговорители часто называют низкоомными. В последнее время, правда, начинают появляться и высокоомные динамики, но о них будет отдельный разговор (стр. 234).

_{1 Первая цифра названия указывает мощность громкоговорителя в вольтамперах.}

_{Мощность громкоговорителя ВГД-1 равна 3 ва.}

Рассмотрим некоторые характеристики громкоговорителя. Громкоговоритель неодинаково хорошо превращает в звук электрические сигналы разных частот, иными словами, вносит частотные искажения. Частотная характеристика громкоговорителя в основном определяется размерами, конструкцией, материалом, способом подвески диффузора. Материалом для диффузора, как правило, служит бумажная масса, часто с примесью шерсти; основная технология — литье, штамповка. Громкоговорители с небольшим диффузором плохо воспроизводят низшие частоты и хорошо высшие — небольшой, подвижный, легкий диффузор послушно следует за самыми быстрыми изменениями тока. Диффузор большого диаметра, наоборот, плохо воспроизводит высшие частоты, так как его «дальние районы» не поспевают за быстрыми движениями звуковой катушки. Зато громкоговорители с большим диффузором хорошо воспроизводят низшие частоты, и их часто называют низкочастотными.

Частотная характеристика в области низших частот в огромной степени зависит от резонансных свойств подвижной системы громкоговорителя. Диффузор, звуковая катушка, центрирующая шайба образуют самую настоящую колебательную систему, своего рода гитарную струну. Частота собственных колебаний этой «струны» обычно лежит в пределах 30—300 гц. Если подвести к громкоговорителю переменный ток сложной формы, то подвижная система за счет резонанса будет подчеркивать те составляющие этого тока, частота которых равна частоте собственных колебаний. Поэтому в районе резонансной частоты (частота собственных колебаний) будет некоторый подъем частотной характеристики (рис. 14, 6). Такой подъем иногда полезен (рис. 33).

рис. 14, 6

Однако у этой красивой медали, как и у всякой другой, есть и обратная сторона. После резонанса появляется своего рода обрыв на частотах ниже резонансной, — громкоговоритель практически перестает работать. Вот почему при выборе низкочастотных громкоговорителей стараются подобрать экземпляр с самой низкой резонансной частотой и сместить завал частотной характеристики как можно левее, в область низших частот.