Для идеального воспроизведения звука необходимо создать в месте приема совершенно такое же звуковое поле, как и в месте исполнения музыкального произведения, что достичь, оказывается, очень трудно. Чтобы представить себе все трудности этой задачи, нам придется сначала коснуться вопроса о том, что такое звуковое поле и какими физическими свойствами оно обладает.

Звуковое поле — это область пространства или объем, в котором возникают звуковые волны. Такие волны могут возникать в любой твердой, жидкой или газообразной среде под действием механических колебаний, совершаемых каким-либо телом. Нас интересуют только волны, .возникающие в окружающей воздушной среде, воздействующие на ухо человека и вызывающие звуковое ощущение. Одним из важных свойств таких волн является способность отражаться от препятствий: встречая на своем пути препятствия, звуковые волны могут частично или полностью отражаться и поглощаться, так же как это наблюдается со светом.

Распределение и интенсивность (сила) звуковых волн в звуковом поле в общем случае зависят: от мощности Источника звука, характеристики направленности и других свойств источника звука, а также от формы, размеров и свойств поверхностей, ограничивающих данную область пространства (объем), в которой возникает звуковое поле.

Для идеального воспроизведения звука необходимо создать совершенно одинаковые внешние условия в местах приема и передачи. Это значит, что «взаимное расположение источников звука и слушателей, и шум, создаваемый внутри помещения и приходящий извне, и акустические .свойства помещения должна быть совершенно одинаковыми.

Отсюда следует, что практически условия идеального, т. е. точного, звуковоспроизведения недостижимы. Однако есть возможность, улучшая работу звуковоспроизводящих систем, приблизить качество их звучания к натуральному. Для обеспечения столь высокого качества звучания системы должны обладать соответствующими параметрами.

При работе громкоговорителя, как известно, звуковые волны образуются в результате последовательных сжатий и разрежений воздуха, создаваемых колебательными движениями диффузора (диафрагмы). Образование и распространение звуковых волн — достаточно сложный физический процесс.*

* В. А. Красильников, Звуковые волны. М., Гостехиздат, 1954.

По своему характеру звуковые волны могут быть плоскими и круговыми (сферическими). Длина волны зависит от скорости распространения звука, которая, в свою очередь, зависит от таких факторов, как температура и давление воздуха. При частоте колебаний в 50 гц длина волны в воздухе составляет около 6,8 м, а при частоте 10000 гц — 3,4 см. В процессе распространения звуковые волны могут не только отражаться от поверхностей и частично или полностью поглощаться, но они могут и огибать препятствия (явление дифракции), а также складываться или вычитаться, т. е. усиливаться или ослабляться (явление интерференции), и т. п. Все эти явления для разных частот выражены по-разному и .находятся в зависимости как от длины волны (частоты колебаний), так и от характера последней.

Рассмотрим теперь некоторые общие положения теории колебаний, частным случаем которой является акустика— наука о законах возникновения и распространения звуковых волн.

Наиболее простой вид колебаний — гармоническое колебание. Графически оно изображается в виде синусоиды (рис. 1) и характеризуется амплитудой А — максимальным значением величины колебания; периодом Т, т. е. временем одного полного колебания, и частотой /, т. е. количеством .полных колебаний или периодов в единицу времени (обычно в 1 сек.). Кроме того, колеблющиеся частицы в процессе гармонического (синусоидального) движения будут проходить в каждый момент через определенную фазу φ, т. е. одинаковую стадию движения относительно выбранного начального положения. По расстоянию между двумя ближайшими точками с одинаковой фазой можно определить длину волны из следующих соотношений:

где

• λ — длина волны, м;
• с — скорость распространения колебаний (для воздуха, среднее значение с = 340 м/сек);
• Т — период, сек;
• f — частота, гц.

Рис. 1. Гармонические колебания: А1, А2—амплитуды колебаний; Т —период колебаний: φ — сдвиг фазы между двумя колебаниями

Наиболее часто встречающиеся музыкальные и речевые источники звуков создают колебания частотой от 40 до 15000 гц. Частота звука определяет высоту тана: чем больше частота, тем выше тон. Человек способен воспринимать звуки, вызываемые колебаниями с частотой от 20 гц до 15—16 кгц, причем у разных людей эти пределы различны.

Важными величинами, характеризующими звуковые колебания, являются интенсивность или сила звука и связанное с ней звуковое давление, измеряемое в барах*.

* Согласно ГОСТ 8849—58 единицу звукового давления в системе СГС (сантиметр, грамм, секунда) рекомендуется не называть баром, а выражать как силу (в динах), приходящуюся на единицу площади (в см²), т. е. изображать как дин/см². Единицей измерения интенсивности или силы звука в системе СГС служит эрг/сек/см². Широко применявшейся ранее единице интенсивности или силы звука вт/см² в системе СГС будет соответствовать а эрг/сек/см² = 10^-7 вт/см².

Диапазон звуковых давлений, воспринимаемых человеческим ухом, лежит в пределах от нескольких десятитысячных долей бара до сотен бар. Наиболее часто встречающиеся музыкальные и речевые источники звуков развивают звуковое давление в пределах от 0,0063 до 20 бар, что соответствует изменению интенсивности или силы звука в 10⁷ раз. Таким образом, наибольшее воспринимаемое ухом изменение звука по давлению составляет 3170 раз.

Отношение максимального и минимального звуковых давлений, которые может создать какой-либо источник звука, называется динамическим диапазоном этого источника.

Минимальная сила звука, еще отмечаемая ухом в полной тишине, называется порогом слышимости. Последний зависит от частоты, причем область наибольшей чувствительности уха приходится на средние частоты (при 1000 гц порог равен 10^-9 эрг/сек•см²). Значительно меньшей чувствительностью ухо обладает на низших (при 100 гц порог равен 10^-6 эрг/сек•см³) и высших частотах.

Очень большая сила звука вызывает неприятное ощущение в ухе и даже боль. Уровень силы звука, при котором начинается неприятное ощущение, называется порогом болевого ощущения. Этот порог мало зависит от частоты и наблюдается при силе звука, равной примерно 10³ эрг/сек•см².

Таким образом, на средних частотах ухо способно воспринимать звуковые колебания, отличающиеся по силе более чем в 10¹² раз. В области же низших частот, например на частоте 50 гц, этот диапазон уменьшается до 10⁷ раз. То же самое наблюдается на высших частотах.

Субъективной оценкой силы звука является громкость, характеризующая слуховое ощущение. Однако два звука одинаковой силы (но разной частоты) вследствие неодинаковой чувствительности уха к различным частотам вызывают ощущение различной громкости. Субъективное ощущение громкости в зависимости от силы звука подчиняется основному психофизическому закону, который устанавливает, что с изменением силы звука субъективное ощущение громкости изменяется приблизительно пропорционально логарифму изменения силы звука. Вот почему ухо может реагировать на звуки, отличающиеся по своей силе в огромное число раз. Так как субъективное ощущение звука подчиняется логарифмическому закону, то для определения относительного изменения громкости звука удобно применять логарифмическую шкалу (шкалу децибелов). Если, например, интенсивность звука изменилась в 100 раз (V₁/V₂ = 100), то относительное изменение уровня будет равно 20 дб (S_дб = 10 lg V₁/V₂). Такой же шкалой пользуются и для определения звукового давления.

Анализ способности уха реагировать на громкость в зависимости от частоты и силы звука показывает, что ухо воспринимает изменение громкости прямо пропорционально изменению силы звука только в полосе 500—5000 гц. На более низких или более высоких частотах эту способность ухо утрачивает.

Важным свойством олуха человека является способность определять направление на источник звука — способность локализовать звук. Это свойство основывается на бинауральном эффекте: уши способны различать на низших и средних частотах (до 1000 гц) разницу во времени прихода звука к каждому из них. На более высоких частотах (свыше 1000 гц) начинает сказываться экранирующая способность головы, , из-за чего интенсивность звука, воспринимаемая ушами, будет не одинаковой, и расстояние от ушей до источника звука будет зависеть от положения головы (одно ухо ближе а другое дальше от источника). Человек, слышащий одним ухом, не ощущает бинаурального эффекта, а потому испытывает затруднение в локализации источника звука. Кроме того, при моноуральном (одноушном) прослушивании звучание кажется лишенным глубины и рельефности; это особенно заметно в обычных системах радиовещания и звукозаписи, называемых монофоническими, в которых передача идет по одному каналу и воспринимается как бы одним «ухом» — микрофоном (хотя может быть и несколько параллельно включенных микрофонов, ра<5отающих на один канал). В настоящее время начинают внедряться системы с двумя и более сквозными каналами, обеспечивающими высокое, весьма близкое к естественному звучание программ. Такие системы называются стереофоническими, в отличие от обычных монофонических.

В зависимости от качественных показателей звуковоспроизводящие устройства разделяются на несколько классов. В результате многих экспериментов была разработана и предложена следующая классификация звуковоспроизводящих систем гю ширине воспроизводимой полосы частот:

• высший класс (неискаженное воспроизведение)—-от 30—40 до 14 000—15000 гц;
• первый класс (высококачественное воспроизведение) — от 50 до 10 000 гц;
• второй класс (воспроизведение среднего качест ва)—от 100 до 6000 гц;
• третий класс (воспроизведение низкого качества) — от 150—200 до 4000 гц; используется для передачи речи и в системах оповещения.

В пределах воспроизводимой полосы частот усилительная и акустическая аппаратура обычно не обладает равномерной частотной характеристикой, т. е. звуки разных частот усиливаются и воспроизводятся ею неодинаково.

Наряду с требованием воспроизведения определенной полосы частот с определенной неравномерностью к звуковоспроизводящей системе предъявляется также требование сохранения соответствующего динамического диапазона, присущего той или иной звукопередаче, т. е. аппаратура должна воспроизводить как слабые звуки (шепот, пианиссимо в музыке и т. п.), так и наиболее мощные, наблюдаемые при исполнении оркестровых и хоровых произведений.

Динамический диапазон различных музыкальных произведений различен. Наибольшим динамическим диапазоном обладает симфонический оркестр: отношение наибольшей силы звука оркестра (при самом громком звучании) к минимальной (соло окрипки) достигает 10⁷ раз, что соответствует 70 дб.

Воспроизведение такого большого динамического диапазона звуковоспроизводящей аппаратурой сопряжено со значительными трудностями. Верхний предел воспроизводимых интенсивностей звука ограничивается усилительной способностью и мощностью звуковоспроизводящей аппаратуры, а нижний — шумами, которыми сопровождается всякое воспроизведение (фоном питающего напряжения, шумами ламп и микрофонов, шумами в помещении и т. п.). Для воспроизведения самых слабых звуков необходимо, чтобы их уровень был выше уровня шумов не менее чем на 15 дб. Так, если уровень шума в жилом помещении, где установлен громкоговоритель, составляет относительно так называемого нулевого уровня 30 дб, то минимальный уровень передачи должен быть около 45 дб. Тогда при передаче большого оркестра максимальный уровень достигает 45+70 = 115 дб. Такая громкость, близкая к болевому порогу (120 дб), нетерпима для слушателей, и к тому же передача будет громко слышна в соседних помещениях. Поэтому в передающих и звукозаписывающих системах принимаются меры для искусственного сжатия динамического диапазона (компрессии).

Исходя из акустических и технико-экономических условий, установлены следующие нормы динамического диапазона для разных передающих систем:

• радиовещание и грамзапись — 30—40 дб;
• вещание по кабелю — 50 дб;
• местное звукоусиление — 65 дб.

Всякий источник звуковых колебаний обладает направленностью. Чем больше по сравнению с длиной волны излучающая поверхность источника звука, тем острее направленность излучения. Если длина излучаемой звуковой волны велика (низшие частоты), а размеры излучателя меньше этой длины, то источник звука не обладает на!правленностью. На высших же частотах, т. е. при малых длинах волн, направленность излучателя повышается. На рис. 2 даны теоретические характеристики направленности излучателя (диска) диаметром 21 ом, помещенного в вырезе очень большого экрана. Как видно из рисунка, на средних частотах (1600 гц) уже явно наблюдается направленность, которая «а более высоких частотах (8000 гц) становится очень острой.

Рис. 2. Теоретические характеристики направленности колеблющегося диска диаметром 21 см, помещенного в вырезе очень большого экрана при различных частотах:

1. при частоте 400 гц;
2. при 800 гц;
3. при 1600 гц;
4. при 8000 гц.

Речь и музыка представляют собой сочетание различных по частоте и силе звуков, непрерывно меняющихся в процессе звучания. Даже звук, произведенный голосам певца или инструментом и воспринимаемый как тон определенной высоты, на самом деле содержит ряд дополнительных тонов (различных интенсивностей), частоты которых в целое число раз, т. е. в 2, 3, 4 и т. д. раза, больше основной частоты звука. Эти дополнительные тона называются гармониками, или обертонами. Их относительной силой определяется тембр звука. Тональность или высоту звука определяет самая .низкая частота такого сложного колебания. На рис. 3 графически показан частотный диапазон звучания речи и некоторых наиболее распространенных музыкальных инструментов, причем (полный частотный диапазон каждого из источников звука разделен на диапазон основных частот (сплошная линия) и диапазон обертонов (пунктир); неискаженное воспроизведение последних весьма важно.

Рис. 3. Частотный диапазон речи и наиболее распространенных музыкальных инструментов (для сравнения приведена воспроизводимая полоса частот приемников)

При воспроизведении какой-либо системой чистого (синусоидального) тона почти всегда возникают паразитные высшие гармоники, которых нет в первичном звуке. Но в первичном звуке часто имеются сложные созвучия, состоящие из большего числа толов. Поэтому, кроме гармоник всех этих тонов, при воспроизведении звука возможно возникновение и так называемых комбинационных частот, которые представляют собой суммарные и разностные частоты всех тонов и их гармоник попарно. Эти новые частотные составляющие проявляются в звуковоспроизводящей системе (обычно при больших уровнях сигнала) в виде так называемых нелинейных искажений и комбинационных тонов, воспринимаемых как звучание с крипом, дребезжанием и т. п.).

В различных системах, воспроизводящих достаточно широкую полосу частот, вдето возникают особые искажения, не связанные с нелинейностью самой системы, а обусловленные частотной модуляцией. Такие искажения называются интермодуляционными. Они наблюдаются, например, в диффузорных громкоговорителях при одновременном воспроизведении колебаний двух частот, из которых одна значительно выше другой. При этом вследствие больших колебательных скоростей диффузора на низших частотах искажаются высокочастотные составляющие сигнала.

Степень нелинейных искажений, характеризующаяся коэффициентом гармоник (клирфактором), .показывает отношение (в процентах) среднеквадратичной суммы амплитуд гармоник к амплитуде основной частоты. Но этот коэффициент обычно определяется при подаче на вход звуковоспроизводящей системы синусоидального напряжения и поэтому не 'позволяет судить о характере и величине нелинейных искажений при одновременном воспроизведении нескольких частот, однако он все желает возможность сравнивать качество аппаратуры. Допустимая величина коэффициента гармоник на низших частотах, как показали многочисленные испытания, может быть значительно больше, чем на высших.

Исследования спектров речи и музыки показали, что они представляют собой непрерывный ряд следующих друг за другом звуковых импульсов различной продолжительности, интенсивности и частоты. Для сохранения формы и продолжительности звукового импульса три его воспроизведении звукоизлучатели (громкоговорители), помимо упомянутых выше хороших частотных и нелинейных характеристик, должны иметь и хорошие переходные характеристики, определяющие способность звукоизлучателя воспроизводить быстро изменяющиеся звуковые процессы. Переходные характеристики зависят от степени демпфирования подвижной системы громкоговорителя (т. е. быстроты прекращения колебательного процесса в ней после прекращения действия электрического импульса) и улучшаются при повышении демпфирования.

Таким образом, основными характеристиками, которыми должна оцениваться электроакустическая аппаратура, являются: мощность, полоса воспроизводимых частот при определенной неравномерности частотной характеристики, динамический диапазон и величина нелинейных искажений. Что же касается характеристики направленности, определяющей зависимость качества звуковоспроизведения от смещения слушателя от оси громкоговорителей, то она обычно не задается. Но при конструировании аппаратуры и особенно при озвучивании больших помещений и открытых площадей принимают меры для получения широкой характеристики направленности во всей полосе частот.

Вопрос о демпфировании звукоизлучателей будет подробно изложен далее.