Общеизвестен большой интерес специалистов, радиолюбителей и меломанов к высококачественному звуковоспроизведению. В литературе достаточно подробно рассматриваются общие и частные вопросы техники воспроизведения звука. В настоящей книге внимание уделяется стереонаушникам (называемым далее в тексте просто наушниками), являющимся, наряду с громкоговорителями, важным компонентом звуковоспроизводящих устройств.
Для лучшего понимания читателями последующих разделов книги вначале поясняются основные акустические термины и определения, рассказывается об особенностях восприятия ухом человека звуковой информации.
Далее рассматриваются принципы действия наушников электродинамической, электростатической, изодинамической и других систем, описываются различные модели наушников, в том числе беспроводные, а также приводятся основные технические характеристики наушников и методы их измерения. Даются рекомендации по конструированию и применению наушников. Для желающих самостоятельно изготовить наушники представляет интерес подробное описание и чертежи нескольких любительских конструкций.
В заключительном разделе приводятся технические характеристики различных моделей наушников и примеры экспертной оценки их качества.
В книге отражен опыт автора по конструированию и применению наушников, а также приведены материалы, опубликованные в отечественной и зарубежной литературе.
Основные особенности слуха
Высококачественное воспроизведение музыкальных программ с помощью технических средств вызывает огромный и все более возрастающий интерес как у профессионалов, так и у любителей. Разнообразие применяемых устройств для записи, обработки, хранения, передачи и воспроизведения звука сегодня велико. Однако, каковы бы ни были эти устройства, будь то «вокман», домашняя стереоаппаратура, многоканальный звукотехнический комплекс или наушники, монопольным потребителем поставляемой ими «продукции» является орган слуха человека. Естественно поэтому, что исследование, разработка и эксплуатация любых звукотехнических устройств должна обеспечивать
Строение слухового органа человека:
Рис. 1. Строение слухового органа человека: 1 - ушная раковина; 2 - слуховой проход; 3 - барабанная перепонка; 4 - слуховые косточки; 5 - евстахиева труба; 6 - овальное окно; 7 - полукружные каналы; 8 - улитка; 9 - круглое окно; 10 - слуховой нерв
не наилучшее их функционирование вообще, а применительно к свойствам слухового аппарата человека. Аппарат этот чрезвычайно сложен - он реагирует на звуковое воздействие загадочным, до конца не изученным образом, совсем не так, как это делают известные на сегодняшний день измерительные приборы. Слух человека способен различать тончайшие нюансы звучания, оценивать различия и искажения, не поддающиеся пока инструментальному контролю. К тому же свойства слухового аппарата человека не являются неизменными - они обладают уникальной способностью изменяться и приспосабливаться к окружающей обстановке. В этих условиях для прогнозирования ощущений, возникающих у человека при восприятии музыки, необходимо хорошо знать основные свойства слуха как инженеру-разработчику аудиоаппаратуры, так и меломану. Рассмотрим более подробно строение и основные свойства органов слуха человека.
Слуховой орган человека состоит из наружного, среднего и внутреннего уха (рис. 1). Наружное ухо содержит ушную раковину и слуховой проход. Последний заканчивается, немного сужаясь, барабанной перепонкой, являющейся границей между наружным и средним ухом. Барабанная перепонка представляет собой пленку толщиной около 0,1 мм и площадью около 80 мм2, втянутую в сторону среднего уха. Она соединена с косточкой («рукояткой молоточка»), образуя подобие конуса. Среднее ухо представляет собой воздушную полость внутри височной кости. Эта полость, называемая барабанной, соединяется через канал (евстахиеву трубу) с глоткой, откуда в среднее ухо попадает воздух. Чтобы барабанная перепонка могла беспрепятственно колебаться, необходимо равенство воздушных давлений по обеим ее сторонам, что обеспечивается евстахиевой трубой, через которую при изменении атмосферного давления воздух может входить или выходить.
В среднем ухе находится система косточек («молоточек», «наковальня», «стремя»), с помощью которой колебания барабанной перепонки передаются внутреннему уху. Самая маленькая из этих косточек («стремя») имеет массу 2,5 мг, длину 3 мм, ширину 1,4 и высоту 4 мм.
Внутреннее ухо («лабиринт») состоит из системы трех полукружных каналов, расположенных в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и являющихся основой вестибулярного аппарата, а также органа слухового восприятия, по форме напоминающего улитку. Улитка заключена в толстую костяную оболочку и наполнена почти несжимаемой жидкостью - лимфой. В улитке, представляющей собой спирально свернутый канал, находятся чувствительные окончания слухового нерва в виде клеток с микроскопическими волосками и вблизи них нежная, легко подвижная спирально завитая вдоль ходов улитки мембрана, называемая текториальной. Улитка сообщается со средним ухом двумя отверстиями (овальным и круглым окнами), затянутыми упругими перепонками. С перепонкой овального окна соединено «стремя». Звуковые волны, попадая в слуховой проход, приводят в колебания барабанную перепонку. Таков обычный путь, которым осуществляется прохождение звука. Он носит название воздушной проводимости. Через цепь трех связанных с перепонкой косточек колебательные движения передаются овальному окну и через него жидкости улитки. При этом сила, с которой овальное окно давит на жидкость, в 30-50 раз больше силы, воздействующей на барабанную перепонку благодаря рычажной связи слуховых косточек. Движения овального окна вызывают через находящуюся в улитке жидкость (подобно действию гидравлического пресса) обратные по направлению движения круглого окна. При перемещении жидкости улитки происходит прикосновение волосковых клеток, представляющих собой окончания слухового нерва (а их свыше 20 000), к спирально завитой вдоль ходов улитки легко подвижной текториальной мембране. Взаимные движения этой мембраны и волосковых клеток слухового нерва, вызывающие его раздражение, и обусловливают ощущение и восприятие звука центрами слухового восприятия, находящимися в височных частях коры полушарий головного мозга.
Ухо человека обладает свойствами частотного анализатора, дискретным восприятием по частотному и динамическому диапазонам (аналоговый звуковой сигнал превращается в последовательность электрических импульсов двоичного типа). Посылаемые в слуховой центр мозга электрические импульсы подвергаются сложному анализу, в результате которого человек определяет передаваемое сообщение.
Волокно мембраны может не достигать ближайшего к нему нервного окончания. Тогда человек звук не услышит. Но как только при увеличении амплитуды колебаний волокна оно коснется нервного окончания, произойдет его раздражение. Нервное окончание начнет посылать электрические импульсы в слуховой центр мозга, и звук будет услышан. Этот скачкообразный переход из неслышимого состояния в слышимое и обратно, иными словами, минимальная интенсивность звука, ощущаемая ухом в полной тишине, называется порогом слышимости. Абсолютное значение слухового ощущения на пороге слышимости невелико, но все же конечно. Международным соглашением уровнем отсчета интенсивности звука (нулевым уровнем) принято считать Jo = 1 * 10(-12) Вт/м2. Эту ничтожно малую интенсивность звука, при которой амплитуда колебаний барабанной перепонки меньше размеров атома, условно называют порогом слышимости уха в области частот наибольшей чувствительности слуха. В качестве нулевого уровня
звукового давления принято значение Po = 2 * 10(-5) Н.
Акустические термины и определения
Приведем наиболее значимые акустические термины и определения, начиная с понятия «звук». В некоторых случаях даются пояснения в пределах, необходимых для лучшего понимания содержания книги. Читатели, желающие получить более подробную информацию, могут воспользоваться специализированными справочниками по акустике.
Звук - волновой колебательный процесс, происходящий в упругой среде (воздухе, воде и др.) и вызывающий слуховое ощущение.
Звуковое поле - область пространства, в которой распространяются звуковые волны. Различают свободное звуковое поле, когда влияние отражающих звуковые волны поверхностей ничтожно мало, и диффузное звуковое поле, в каждой точке которого плотность звуковой энергии и средняя акустическая мощность на единицу площади одинаковы во всех направлениях.
Звуковое давление - разность между статическим (атмосферным) давлением и давлением в данной точке звукового поля. Мгновенное значение звукового давления - звуковое давление в рассматриваемый момент времени. Различают максимальное и минимальное мгновенное значение звукового давления, а также эффективное (среднеквадратичное) значение звукового давления. Единица звукового давления - паскаль (Па);
1 Па = Н/м2.
Интенсивность (сила) звука - количество свободно распространяющейся звуковой энергии, проходящей в секунду через единицу площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения волны. Единица интенсивности звука - ватт на квадратный метр (Вт/м2).
Если направление распространения звуковой волны определить трудно, используют другую энергетическую характеристику поля -плотность звуковой энергии.
Плотность звуковой энергии - количество звуковой энергии,
содержащейся в единице объема. Единица плотности звуковой энергии - джоуль на кубический метр (Дж/м3).
Громкость - субъективное ощущение интенсивности звука; изменение громкости приблизительно пропорционально логарифму изменения интенсивности звука. Единица уровня громкости - фон.
Фон - единица уровня громкости звука. Определяется по частотным кривым равной громкости звуков. При частоте 1 кГц уровни громкости звука приняты равными уровням звукового давления (интенсивности звука), отсчитываемым в децибелах над нулевым порогом. Форма частотных кривых равной громкости указывает на то, что при низких и высоких звуковых частотах чувствительность уха меньше, чем при средних частотах. При высоких уровнях звукового давления зависимость уровня громкости от частоты ослабляется.
Звуковая мощность - количество звуковой энергии, которое источник звука излучает в окружающее пространство за единицу времени. Единица звуковой мощности - ватт (Вт). Определяют звуковую мощность по значениям звукового давления или интенсивности звука.
Скорость звука или скорость распространения звуковой волны - путь, проходимый звуковой волной в однородной среде за единицу времени. Единица скорости звука - метр в секунду (м/с). Скорость звука зависит от плотности и упругости среды, например: в воздухе при температуре 20 °С и нормальном атмосферном давлении она равна 340 м/с, в морской воде - 1504 м/с, в стали - 4990 м/с, в древесине сосны - 3320 м/с.
Колебательная скорость - скорость колебательного смещения частиц среды от положения покоя.
Длина волны - расстояние между ближайшими точками волны, находящимися в одинаковой фазе; расстояние, проходимое распространяющейся волной за один период колебания.
Период - время, в течение которого происходит одно полное колебание.
Частота - число колебаний в секунду. Единица частоты - герц (Гц).
Фаза -- стадия движения колеблющейся частицы или тела относительно какого-либо их положения, принятого за начальное. Единица фазы - радиан или угловой градус.
Синфазность (равнофазность) - одинаковая фаза переменных гармонических величин. Синфазное включение наушников или громкоговорителей - это такое их электрическое соединение, при котором мгновенные значения создаваемых ими звуковых давлений находятся в одинаковой фазе.
Чистый тон - звук, создаваемый синусоидальным акустическим колебанием.
Шум - звук случайного характера, не содержащий ясно выраженных частотных составляющих.
Белый шум - сложный звук, спектр которого, измеренный анализатором с постоянной шириной полосы, является непрерывной и гладкой функцией частоты в достаточно широком диапазоне частот, или шумовой сигнал, уровень спектральной плотности энергии которого постоянен во всем диапазоне частот измерений.
Розовый шум - шумовой сигнал, уровень спектральной плотности энергии которого при повышении частоты снижается с постоянной крутизной, равной 3 дБ на октаву во всем диапазоне частот измерений.
Спектр акустический - характеристика звука, выражающая его частотный (спектральный) состав, получаемая в результате анализа звука.
Биение - периодическое изменение интенсивности звука в данной точке, вызываемое интерференцией двух звуковых волн близких частот.
Интерференция - взаимодействие двух или более звуковых волн, одновременно приходящих в данную точку, приводящее к ослаблению или усилению интенсивности звука в зависимости от фазового сдвига.
Дифракция - изменение направления распространения звуковой волны, вызванное прохождением ее около края какого-либо препятствия (огибание препятствия).
Реверберация - затухающее звучание в закрытом помещении после прекращения действия источника звука, обусловленное многократными отражениями звука от ограничивающих поверхностей.
Время реверберации - время, в течение которого интенсивность звука уменьшается в миллион (106) раз от ее начального значения, а уровень интенсивности звука спадает на 60 дБ.
Стоячая волна - результат наложения двух распространяющихся в противоположных направлениях синусоидальных волн: падающей и отраженной; характеризуется различными амплитудами в различных точках пространства.
Тембр звука - особенность («окраска») сложного звука, определяемая количеством и интенсивностью обертонов.
Обертоны (гармоники) - дополнительные тоны, частоты которых кратны частотам основного тона (в целое число раз больше).
Октава - интервал (полоса) частот, отношение большей частоты которого к меньшей равно двум.
Динамический диапазон переменной величины (например, напряжения или тока) - отношение максимального значения величины к минимальному:
D=Umax/Umin
Динамический диапазон принято выражать в логарифмических0020единицах уровня - децибелах:
D = 20 lg(Umax/Umin)
D=10 lg(Рмакс/Рмин),
где U - напряжение; Р - мощность.
Понятие «динамический диапазон» имеет важное значение в технике радиовещания, звукозаписи и звуковоспроизведения. Динамический диапазон речи диктора составляет 25-35 дБ, звучания симфонического оркестра - 65-75 дБ.
Бинауральный эффект - способность человека определять направление на источник звука благодаря разности уровней и времени прихода сигналов при слушании двумя ушами.
Стереофонический эффект - ощущение акустической обстановки концертного зала, куда переносит слушателя стереофонически воспроизводимая музыка, записанная квалифицированным звукорежиссером. Придает звучанию такое качество, принятое называть прозрачностью, когда слушатель в состоянии отчетливо выделить из общей звуковой массы партию того или иного инструмента и даже отличить друг от друга одинаковые партии, исполняемые разными инструментами. Стереоэффект обнаруживается особенно отчетливо при воспроизведении полифонической музыки - симфонической и эстрадной.
Сопротивление излучения - комплексное акустическое сопротивление, которым колеблющаяся (вибрирующая) поверхность, например диафрагма электроакустического преобразователя, нагружена со стороны воздушной среды. Сопротивление излучения характеризует связь вибрирующей поверхности с окружающей средой.
Сопротивление излучения имеет активную составляющую, определяющую излучаемую мощность, и реактивную, определяющую связанную с излучателем присоединенную массу среды, которая прибавляется к собственной массе излучателя.
Демпфирование - увеличение механических потерь (трения) в колебательной системе, ухудшающее ее резонансные свойства. Сглаживает частотную характеристику наушников, громкоговорителей.
Уровень - значение акустического или электрического сигнала, выраженное в децибелах.
Децибел (дБ) - логарифмическая относительная единица уровня. Составляет десятую часть более крупной единицы - бела, названной по имени А. Белла - изобретателя телефона.
Одним из оснований широкого использования в акустике и электроакустике децибелов явилось то, что субъективное ощущение громкости в зависимости от интенсивности звука подчиняется психофизиологическому закону: с изменением интенсивности звука ощущение громкости изменяется приблизительно пропорционально логарифму изменения интенсивности звука. Ухо способно воспринимать динамический диапазон интенсивности звука, достигающий на средних частотах значения 10 в 14 степени. Использование шкалы уровней позволяет выразить этот огромный диапазон интенсивности звука всего лишь 140 дБ.
Уровень интенсивности звука, выраженный в децибелах, определяется формулой
Ni = 10lg(I/Io),
где I - интенсивность звука; Io - интенсивность звука частотой 1 кГц на пороге слышимости; Io = 10~12 Вт/м2.
Поскольку интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления (I = кр2), соответствующий уровень звукового давления, выраженный в децибелах, определяется формулой
где P - эффективное значение звукового давления; Po = 2 10 в степени -5 Па -- звуковое давление на пороге слышимости.
Подобно акустическим уровням введено понятие электрического уровня. Электрический уровень выражается отношением мощностей или напряжений:
причем Рo = 0,001 Вт; Uo = 0,775 В; Ro = 600 Ом. Значение Uo
получается из соотношения, связывающего мощность, напряжение и сопротивление:
Из приведенных выражений следует, что уровни, вычисленные по отношению напряжений, совпадают с уровнями, вычисленными по отношению мощностей, при условии, что сопротивления нагрузок, на которых выделяются мощности Р и Рo, равны (R = Ro).
Если уровни вычислены по мощности, причем Рo = 0,001 Вт, то к единице уровня иногда добавляют букву «м», т.е. обозначают ее дБм. То обстоятельство, что значения энергетических величин (интенсивности, мощности и т.п.) переводятся в значения уровня с множителем 10, тогда как перевод значений исходных линейных величин (звукового давления, напряжения, тока) в значения уровня совершается с множителем 20, обеспечивает одинаковое изменение уровня физической величины
ТД УРАЛКРАН предлагает мостовые краны и механизмы подъема.
Комментарии:
(1) Рейтинг: 