полную версию в doc

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОАКУСТИКИ И ЗВУКОУСИЛЕНИЯ
Что такое звук?
Звук – физическое явление, представляющее собой
распространение в виде упругих волн, механических
колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. По
сравнению со статическим давлением воздуха 100,000
Паскаль (1 Бар), переменная часть давления (т.е. звуковое
давление) очень мала. Уже при 100 Паскалях (134 дБ SPL)
достигается предел человеческого слуха.
Длина волны и частоты
Частота сигнала описывается количеством колебаний в
секунду (единица измерения – Герц = 1/сек.). Так как
волна распространяется с постоянной скоростью, длина
волны может быть определена как = c / f , где длина
волны, с = скорость звука (343 метра в секунду) и f =
частота.
Одной длиной волны называется расстояние, которое
проходит волна в течение полного колебания.
Воспринимаемый
человеком
частотный
диапазон
охватывает около 10 октав, от 16Гц до 16кГц.
Соответствующий диапазон длин волн охватывает от 20м
до 2см (видимый свет охватывает только одну октаву – от
400 до 800нм).
время
Распространение звука
Скорость распространения звуковых волн составляет
примерно 343 м/с (может меняться в зависимости от
температуры воздуха). Это около 1235 км/ч. Началу волны
для преодоления одного метра необходимо около 3мс
времени. В однородной среде звук распространяется
линейно; однако атмосферные явления могут привести к
отклонению звуковой волны.
Скорость звука/температура
Преломления от температурных слоев
Так же как световые, звуковые волны преломляются в
пограничном слое между разными средами. Причиной
тому является разная скорость звука в разных средах. В
частности, это происходит между слоями воздуха с разной
температурой.
Преломления от температурных слоев
Преломления от ветра
Скорость ветра около поверхности земли низкая, и
повышается с высотой. По этой причине меняется и
распространение звуковых волн в зависимости от высоты
от земли. Это приводит к эффекту преломления, благодаря
чему при ветре, направленном на источник звука,
уменьшается сфера действия звука в этом направлении.
Преломления от направления ветра
В случае попутного ветра, звуковые волны будут
отклоняться вниз, и таким образом могут быть преодолены
некоторые
препятствия между источником и слушателем.
Затухание
Даже в идеальной среде звуковая волна будет терять
энергию.
Потери энергии пропорциональны пройденному
расстоянию и растут с повышением частоты.
Следовательно, удаленные источники будут терять в
энергии высоких частот (в дополнение к расстоянию,
связанному с падением уровня). При высокой
влажности этот эффект увеличивается.
Отражение, дифракция, поглощение
Размер длины волны, как правило, близок к
окружающим нас объектам. Когда звуковая волна
попадает на твердую поверхность, возникают
различные эффекты в зависимости от отношения длины
волны к размеру поверхности.
Отражение
Если длина волны очень мала по сравнению с
объектом, она будет отражена от него. Плоская
поверхность будет отражать звуковую волну, так же,
как зеркало отражает свет. Неровные поверхности
будут
производить
диффузные
отражения.
Дифракция
Дифракция это явление, когда первоначальное
направление звуковой волны “огибает” объект.
Дифракция происходит в случае, когда длина волны и
объект примерно одного размера. Объекты, которые
меньше длины волны, будут для нее незаметны, и она
не станет огибать их.
Частота (Гц)
λ
31
11.0м
63
5.49м
125
2.74м
250
1.37м
500
69см
1000
34см
2000
17см
4000
8.6см
8000
4.3см
16000
2.1см
Частоты и длина волны
Поглощение
Если звуковая волна попадает на мягкую, эластичную
или пористую поверхность, она будет поглощена с
большим или меньшим коэффициентом. Коэффициент
поглощения зависит от количества звуковой энергии
(не давления), поглощаемой поверхностью. Остатки
энергии будут отражены. Опять же, размер объекта
является актуальным – небольшой поглотитель не
может поглотить низкие частоты.
Поверхность
Бетон
125
Гц
1
250
Гц
1
500
Гц
1
1
кГц
1.5
2
кГц
2
4
кГц
2
Деревянный пол
15
11
10
7
6
7
Шипованные
30
25
20
17
15
деревянные
панели
Поролоновая
15
27
63
91
100
панель 50мм
Стекловолоконная 26
60
95
100 100
панель 50мм
Примеры коэффициента поглощения (%)
10
100
100
1кГц
2кГц
4кГц
8кГц
0.35
1
2.5
7
Поглощение в воздушной среде (дБ на 100м;
температура >15C, влажность >50%).
Уровень и звуковое давление
Уровень звука относится к логарифмической шкале, и
так же, как в частотной шкале воспринимаемая частота
увеличивается с каждой октавой, воспринимаемый
уровень звука увеличивается в децибелах (дБ).
Однако децибелы сами по себе не являются реальной
единицей измерения, но скорее неким коэффициентом
относительно опорного уровня. Таким образом, дБ
означает уровень сигнала относительно 0,775В. дБ SPL
обозначает уровень звукового давления 0,00002
Паскаль (порог слышимости, номинальные 0 дБ SPL).
Формула для конвертации звукового давления в дБ SPL
выглядит следующим образом:
Уровень [дБ SPL] = 20 x log (давление/0.00002 Па)
Звуковое давление громкоговорителя пропорционально
его входному напряжению (при линейной работе
динамиков). Это означает, что при повышении
входного уровня на 6 дБ (удвоение входного
напряжение или четырехкратное увеличение входной
мощности), приводит к увеличению звукового давления
на 6 дБ (удвоение звукового давления или
четырехкратное увеличение акустической мощности).
Падение уровня с расстоянием
С увеличением расстояния, звуковая мощность
излучается
громкоговорителями,
покрывающими
большую площадь. Это означает, что звуковое давление
обратно пропорционально расстоянию от источника.
На расстоянии в 10 метров, звуковое давление на 20 дБ
меньше чем на расстоянии в 1 метр. В таблице справа
показаны
отношения
линейного
(метры)
к
логарифмическому (децибелы).
Зная
несколько
значений из этой таблицы, легко рассчитать точное
значение падения уровня на различных расстояниях.
Умножение значений в левой колонке равнозначно
сложению в правой.
Например: чему равно падение уровня на 60 метрах?
расстояние
уровень в дБ
(по отношению к 1 м)
1м
-6
2м
-10
5м
-14
10 м
-20
20 м
-26
30 м
-30
50 м
-34
Падение уровня с расстоянием
60 = 2 х 3 х 10, следовательно - 6дБ + 10дБ + 20 дБ = 36 дБ
Сложение звуковых волн
В зависимости от длины волны, расстояние между
звуковыми источниками и точкой прослушивания
будет создавать различные эффекты.
Когерентные сигналы
отношение
дБ
0.1
-20
1
0
10
+20
100
+40
2
+6
3
+10
5
+14
Отображение звукового давления или напряжения в
логарифмической шкале дБ.
Когерентность – согласованность колебательных или
волновых процессов во времени, проявляющаяся в их
сложении.
Представим, что у вас есть два источника, играющие
одинаковый сигнал с той же фазой и амплитудой. Если
расстояние между источниками и их размер
значительно меньше, чем длина волны (в два или 3
раза), будет повышение уровня на 6 дБ на всем пути
распространения сигнала (увеличение звукового
давления в два раза). Например, если общий размер
кластера допустим 1,2 м, эффективность системы
удвоится в районе 100 Гц (длина волны 100 Гц – 3,4м).
Сложение уровней происходит в соответствии с
таблицей дБ. Три одинаковых источника создадут
прирост SPL в 10 дБ, четыре – в 12 дБ, и так далее.
Большие массивы будут создавать некоторую
направленность, потому что только в зоне действия при
правильных углах все громкоговорители будут играть
сфазированный сигнал. Как только вы выйдите из зоны
действия, начнется вычитание с определенной
степенью. Например, вертикальная колонна будет
обладать
более
прямым
вертикальным
и
горизонтальным рассеиванием. Частота, выше которой
можно ожидать полезная направленность равна:
f = 250 / длина колонны в метрах
Если система размещена на твердой поверхности (полу),
эффективное
вертикальное
раскрытие
массива
дублируется за счет отражающих поверхностей.
Зеркальные поверхности виртуально увеличивают
колонну
Противофазные сигналы
Если два источника проигрывают одинаковый сигнал, но
в противофазе (180°), оба сигнала будут частично
взаимовычитать друг друга, или – если сигналы точно
одного уровня – полностью.
Эффект комби-фильтра
В точке, расположенной на разном расстоянии от двух
источников
с
одинаковым
сигналом,
будет
присутствовать эффект, называемый «комби-фильтром».
Причиной такого эффекта является разнофазное
достижение
волнами
точки
прослушивания.
Сфазированные сигналы от обоих источников (т.е. 0°,
360°, 720° и т.д.) взаимосложатся. В случае противофазы
(180°, 540°, 720° и т.д.) взаимовычтутся. Размер эффекта
комби-фильтра зависит от относительных уровней обоих
сигналов в точке прослушивания. Особо сильные
вычитания будут в центре на оси, куда оба сигнала
придут с одинаковым уровнем, но с фазовой разницей в
180°.
Два сабвуфера, производящие когерентные сигналы,
получат удвоение эффективности одного кабинета
Частотный отклик двух сигналов с разной длиной пути до
точки прослушивания (эффект комби-фильтра)
Некогерентные сигналы
Сигналы от разных источников не имеющие общих
фазовых отношений, называются некогерентными. В
этом случае, не будет происходить абсолютное сложение
звукового давления, но звуковая мощность разных
сигналов может быть суммирована (удвоение мощности
равняется +3 дБ звукового давления). Это актуально в
случае, если множество звуковых источников и их
отражений достигает точки прослушивания. В другом
случае, не-когерентное сложение (т.е. сложение
мощности) происходит, когда разные звуковые сигналы
(фоновый шум, музыка, речь) доставляются в одну точку.
Распространение уровня в слушательской зоне
Сабвуферный массив для максимальной горизонтальной
направленности
Здесь представлены некоторые примеры, показывающие
факторы распространения уровня звука по осям комнаты
– от первого кресла до крайнего.
Падение уровня с расстоянием
Сабвуферный массив для максимальной горизонтальной
направленности
Независимо от типа используемого громкоговорителя,
его уровень будет уменьшаться с увеличением
расстояния в соответствии с таблицей. Как пример, мы
будем использовать комнату с длиной 30 м. Первые
слушатели располагаются в 2 метрах от сцены.
От первого до крайнего рядов звуковое давление падает
на 24 дБ, что не применимо для реальных звуковых
систем.
В любом случае, разница расстояний может быть
компенсирована «подвешиванием» громкоговорителей.
На высоте 8 метров над аудиторией, падение уровня на
крайнем ряду составило всего 12 дБ.
Вертикальная направленность
С
учетом
вертикальной
дисперсии
системы
звукоусиления, распределяемость уровня может быть
значительно улучшена. На примере громкоговоритель
находится всего в 2 метрах над аудиторией (в сравнение
с 8 метрами в прошлом примере), и его уровень падает на
-12 дБ в ось действия 40°. Такое поведение характерно
для системы с номинальным 40° вертикальным
раскрытием (-6 дБ при +/- 20°).
Однако это будет полезно, только если характеристики
громкоговорителя не меняются при отклонении от оси 40°, что означает, что система должна быть с постоянной
направленности на очень широком диапазоне частот и
обладать широким углом раскрытия.
Более лучшее покрытие с вертикальной постоянной
направленностью
Горизонтальное покрытие
Значение мощности дБ
1
0
2
+3
3
+5
5
+7
10
+10
100
+20
Усиление уровня в дБ с возрастанием акустической
мощности количеством источников или повышением
входного напряжения.
Угол горизонтального покрытия громкоговорителей
обычно не должен быть больше, чем нужная площадь
покрытия слушательской зоны. Звук, излучаемый в
других направлениях, добавляет мощности в диффузном
звуковом поле, что может негативно сказаться на
разборчивости речи.
Если одной системы не достаточно для нужного
горизонтального покрытия, системы могут быть
соединены в горизонтальный массив. Для этого
громкоговоритель
должен
обладать
хорошими
характеристиками направленности для максимально
возможного исключения любых провалов в звуковом
поле между громкоговорителями.
Когда требуется 90° покрытие, оно может быть
достигнуто использованием одной 90° системы (-6 дБ
при +/- 45°), или тремя 35° системами с углом 30°
между кабинетами. Последнее решение предлагает
большее звуковое давление и более острый спад уровня
на границе зоны покрытия. Невыгодность этой
комбинации состоит в возникающем комби-фильтре по
центрам осей между двумя кабинетами массива. По
этой причине угол между двумя кабинетами будет
меньше чем номинальный угол раскрытия одной
системы. Чем лучше постоянная направленность, тем
меньше будет эффекта комби-фильтра.
Разборчивость речи
Падение уровня с расстоянием в аудитории
Разборчивость
речи
в
определенной
точке
прослушивания в основном определяется отношением
прямого звука к отраженному, или диффузному.
Диффузный звук появляется из-за отражений
помещения или реверберации.
Пока прямой звук спадает с увеличением расстояния от
источника, уровень диффузного звука остается
примерно
постоянным
во
всем
помещении.
Приемлемая разборчивость речи достигается, когда
прямой звук на 10 дБ больше уровня диффузного звука.
Использование систем задержек
Более лучшее покрытие с “подвешенной” системой
Благодаря использованию систем задержек, может быть
улучшено не только звуковое покрытие помещения, но
также отношение прямого к диффузному звуку.
Громкоговоритель может быть направлен специально
на аудиторию и производить меньше энергии в
диффузном поле, тем самым повышая разборчивость.
Так как портальной системе больше не нужно стараться
достать заднего края помещения, все системы могут
работать с меньшей мощностью.
На критическом расстоянии (это точка, где уровень
диффузного звука будет равен уровню прямого звука),
звук портальной системы строго зависит от
акустических
характеристик
помещения.
Громкоговорители, которые ближе к аудитории
(например,
системы
задержки),
должны
соответствовать этим характеристикам звука (так же,
как содержать правильно выстроенную задержку
относительно сцены), если система должна
Работать незаметно, тем самым сохраняя звуковую
локализацию источников на сцене.
Требования к уровню
Для «громкой» музыки вполне достаточно усиление
среднего уровня от 100 дБ до 105 дБ. Пиковый уровень
может быть выше на12 дБ.
Например: стерео система обеспечивает уровень в 100
дБ на расстоянии 20 м. Следовательно, каждая система
должна выдавать уровень в 100 дБ+26 дБ (уровень на
расстоянии 20 м)+12 дБ (пиковое/среднее значение) -3
дБ (мощность суммы L+R) = 135 дБ SPL максимальное
значение (на 1 м).
Для речевых систем, требования к уровню на 20 дБ
меньше.
Особенности дисперсии
Круговая диаграмма
Круговая
диаграмма
показывает
уровень
прослушивания в горизонтальной или вертикальной
плоскости для данной частоты. В случае постоянной
направленности громкоговорителя участки на разных
частотах выглядят очень похожими (впереди кабинета).
Сравнение одного 90° громкоговорителями с массивом из
3-х 35°
Добротность
Добротность описывает направленность устройства на
данных частотах, но не разделяется между
горизонтальной и вертикальной направленностями.
Это соотношение количества излучаемой звуковой
мощности показывается на оси средней мощности
звука во всех направлениях. Высокая добротность
означает высокую направленность.
Номинальный угол дисперсии
Горизонтальный и вертикальный углы, на которых
уровень в -6 дБ соответствует осевому уровню, то есть
60° х 40 ° для 602 громкоговорителя. Он так же может
быть отображен в отношении частот (дисперсия вместо
частотного графика или диаграммы изобар).
Диаграмма изобар
Горизонтальная шкала это частота, вертикальная шкала
это градусы на оси. Линии изобар представлены на -6
дБ и -12дБ. Поведение постоянной направленности
изображается параллельными линиями изобар. На
примере показана дисперсия громкоговорителя d&b
402-TOP (d&b 402-TOP (35 ºх35 º номинальный угол
дисперсии).