Акустические системы. 2
Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРсКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ
Кафедра технологии и организации пищевых производств
Расчетно-графическая работа по дисциплине «Информатика» на тему:
Акустические системы
Вариант – 14
Выполнила:Тищенко А.Б.
Факультет:ФМА
Группа: ЭМ-212
Проверил: Сапожников А.Н.
Новосибирск
2013
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ 3
1 ИСТОРИЯ ПОЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ 4
1.1 Система ввода/вывода звука - аудио адаптер ..6
1.2 Воспроизведение звука - акустическая стереосистема 7
2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА 11
2.1 Мощность 14
2.2 Параметры Тиля-Смолла 16
2.3Компьютерные акустические системы – Speakers 20
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 21
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 22
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время наша жизнь уже абсолютно не мыслима без каждодневного применения технологий, в частности, компьютерных. Компьютерные технологии сочетают в себе сотни различных функций являя собой пример неограниченной работоспособности, направленности и, конечно, практичности.
Современный мультимедиа-ПК
в полном “вооружении” напоминает
домашний стереофонический Hi-Fi комплекс,
объединенный с дисплеем-телевизором.
Он укомплектован активными
Появление систем мультимедиа, безусловно, производит революционные изменения в таких областях, как образование, компьютерный тренинг, во многих сферах профессиональной деятельности, науки, искусства, в компьютерных играх и т.д.
Качественное «железо» и, безусловно, хорошая акустическая система для ПК нужна любому пользователю. Фирм-производителей акустики на данный момент очень много. У каждой фирмы есть как преимущества, так и недостатки. Поэтому выбрать хорошую акустическую систему для компьютера часто бывает трудновато.
Современные акустические системы являются готовым удобным решением для создания домашнего кинотеатра. Идеально подходят для небольших помещений, где важно рационально использовать имеющееся пространство. Отличительные достоинства - качественный звук и легкость использования.
1 ИСТОРИЯ ПОЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Акустическая система ПК - это устройство, предназначенное для вывода обрабатываемой на компьютере звуковой информации. Под акустической системой в широком смысле слова будем понимать электромеханический преобразователь электрических звуковых сигналов в акустические.
Мы все уже привыкли к тому, что современный персональный компьютер может издавать весьма разнообразные звуки. Вначале они могли только гудеть и пищать на разные лады, затем появились программы, произносящие вполне отчетливые слова и играющие отдаленное подобие музыки, слушаемой через водосточную трубу; компьютерные игры довольно быстро научились даже при помощи встроенного громкоговорителя издавать что-то вроде выстрелов и взрывов. А теперь повсеместное распространение недорогих звуковых карт позволило воспроизводить с их помощью любые теоретически возможные звуки. Однако, в большинстве случаев, мы с вами слышим только те звуки, которые были заложены при разработке той или иной программы, а между тем многим хочется гораздо большего. Все это вполне возможно - при наличии требуемых аппаратных средств и/или программ, а главное - знаний о способах извлечения нужных звуков из такого вроде бы немузыкального устройства, как компьютер, так как компьютер по первоначальному определению это устройство для хранения, обработки и передачи информации.
С течением времени перечень задач выполняемых на ПК вышел за рамки просто использования электронных таблиц или текстовых редакторов. Персональный компьютер становится мультимедийным комплексом.
Мультимедиа - это сумма технологий, позволяющих компьютеру вводить, обрабатывать, хранить, передавать и отображать (выводить) такие типы данных как текст, графика, анимация, оцифрованные неподвижные изображения, видео, звук и речь (рис.1.1).
Текст Аудио Изображения
Анимация Видео Интерактивность
Рис.1.1_Основные составляющие мультимедиа
Компакт-диски со звуковыми файлами, подготовка мультимедиа презентаций, проведение видео конференций и телефонные средства, а также игры и прослушивание аудио CD - для всего этого необходимо, чтобы звук стал неотъемлемой частью ПК. Для этого необходима звуковая карта (рис.1.2) и акустическая система (рис.1.3)
Рис.1.2_ Звуковая карта Рис.1.3._Акустическая система
1.1 Система ввода/вывода звука - аудио адаптер
Микрофон используется для ввода звука в компьютер. Непрерывные электрические колебания, идущие от микрофона, преобразуются в числовую последовательность. Эту работу выполняет устройство, подключаемое к компьютеру, которое называется аудио адаптером, или звуковой картой. Воспроизведение звука, записанного в компьютерную память, также происходит с помощью аудио адаптера, преобразующего оцифрованный звук в аналоговый электрический сигнал звуковой частоты, поступающий на акустические колонки или стереонаушники.
Аудио адаптер имеет аналогово-
Цифровые выборки реального звукового сигнала хранятся в памяти компьютера (например, в виде WAV-файлов). Считанный с диска цифровой сигнал подается на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который преобразует цифровые сигналы в аналоговые. После фильтрации их можно усилить и подать на акустические колонки для воспроизведения. Важными параметрами аудио адаптера являются частота квантования звуковых сигналов и разрядность квантования.
Из сказанного следует, что звуковая карта совмещает в себе функции ЦАП (рис.1.4) и АЦП.
Рис.1.4_Микросхема ЦАП
Аудио адаптер - достаточно
сложное техническое
1.2 Воспроизведение звука - акустическая стереосистема
Какой бы современной ни была электронная система записи и воспроизведения звука, сколько бы форматов записи она ни обслуживала, объединенная в одном агрегате, в конце ее, на выходе будет "динамик" - так называли его раньше. И был он сначала один, ну два - для воспроизведения высоких и низких звуковых частот в одной коробке-ящике. С появлением в 1950-х годах стереофонических грампластинок ящиков стало два - отдельно для правого и левого звукового канала.
Известный давний опыт трансляции
звуковой передачи был предпринят французом
Клементом Адлером еще в 1881 году
на Парижской электрической
Спустя 50 лет в исследовательских
подразделениях BELL Labs Харви Флетчер
(HarveyFletcher), знаменитый американский ученый-теоретик
и практик, основатель и руководитель
Акустического общества и президент
Физического общества США, в соавторстве
с Артуром Келлером (Arthur C. Keller) и
в содружестве с именитым дирижером
симфонического оркестра Леопольдом Стоковским
(LeopoldStokowski) провели первые опыты
по моно- и бинауральной звукозаписи.В
Англии в то же время аналогичными
исследованиями занимался инженер
звукозаписывающей компании EMI Алан
Блумлейн (Alan D.Blumlein), который 14 декабря
1931 года оформил документы на патентование
пространственно-ощущаемой
В разработках и производстве
современных широко применяемых
электродинамических
Однако Ч. Райс и Э. Келлог
привели в статье еще и описание
усилителя мощностью 1 Вт для своего
громкоговорителя. И уже в 1926 году
по их предложению американская фирма
RCA (RadioCorporationofAmerica) разработала и
сделала громкозвучащий радиоприемник
в одном корпусе. Помимо акустической
головки он содержал входные контуры
настройки, ламповый усилитель и
выпрямитель питания
Громкоговоритель - прибор для преобразования электрических колебаний в акустические колебания воздушной среды, является последним и одним из наиболее важных звеньев любого акустического тракта, так как его свойства оказывают чрезвычайно большое влияние на качество работы этого тракта в целом.
По способу преобразования
колебаний громкоговорители подразделяются
на электродинамические катушечные
(подавляющее число
В подавляющем большинстве современных акустических систем (более 90%) преобразование электрических звуковых сигналов в акустические осуществляется при помощи электродинамических головок, принцип действия которых основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с проводом звуковой катушки. При протекании токов звуковой частоты по проводу под влиянием электродинамической силы катушка громкоговорителя попеременно втягивается и выталкивается из кольцевого зазора магнита в зависимости от направления электрического тока. Ну, а дальше все просто: звуковая катушка механически соединена с излучателем - диффузором, который, собственно, и создает в пространстве сгущения и разрежения воздуха, т.е. акустические волны. Так как звуковая волна, излучаемая передней (фронтальной) поверхностью диффузора, находится в противофазе с акустической волной, излучаемой тыльной стороной диффузора, обе эти волны при работе динамической головки в открытом пространстве могут гасить друг друга, что носит название «акустическое короткое замыкание» (по аналогии с коротким замыканием в электрических сетях). Чтобы избежать этой неприятности, головки помещают в корпус, основным назначением которого и является исключить это самое взаимодействие звуковых волн от фронтальной и тыловой поверхностей диффузора. Динамики, установленные в корпус вместе с разделительными фильтрами, образуют акустическую систему, называемую иногда звуковой колонкой или попросту громкоговорителем.
В относительно небольшом количестве акустических систем используются излучатели, основанные на других физических принципах (электростатические, пьезоэлектрические, изодинамические, плазменные излучатели), но эти типы «экзотических» громкоговорителей практически не применяются в массовых акустических системах.
Чувствительность (эффективность излучения) громкоговорителя на высоких частотах повышают, уменьшая индуктивность звуковой катушки, например, с помощью вихревых токов Фуко; уменьшение индуктивности снижает ее электрическое сопротивление и приводит к возрастанию тока на высоких частотах. На низких частотах чувствительность громкоговорителя повышают, применяя специальные акустические оформления.
В подавляющем большинстве современные звуковые колонки представляют собой набор из двух-трех электродинамических громкоговорителей, помещенных внутрь корпуса прямоугольной формы шириной 20-30 см.
Важным параметром, характеризующим
звуковые колонки, является диаграмма
направленности. При узкой диаграмме
непосредственно в сторону
Как и в реальном концертном зале, в домашних условиях исполнителям произведений искусства положено находиться перед слушателем. Этому условию вполне удовлетворяют две звуковые колонки (левая и правая), установленные на определенном расстоянии от слушателя и одна от другой.
Как можно использовать колонки
для воспроизведения
Идея CC просто выражается в терминах частот. Сигналы S1 и S2 воспроизводятся колонками. Сигнал Y1 достигающий левого уха представляет собой смесь из S1 и "crosstalk" (части) сигнала S2 (рис.1.5).
Рис.1.5_Схема воспроизведения бинаурального звука колонками
Если мы решим использовать наушники, то мы явно будем знать искомые сигналы Y1 и Y2 воспринимаемые ушами. Проблема в том, что необходимо правильно определить сигналы S1 и S2, чтобы получить искомый результат.
При грамотном использовании алгоритмов CC получаются весьма хорошие результаты, обеспечивающие воспроизведение звука, источники которого расположены в вертикальной и горизонтальной плоскости. Фантомный источник звука может располагаться далеко вне пределов линейного сегмента между двумя колонками.
Давно известно, что для создания убедительного 3D звучания достаточно двух звуковых каналов. Главное это воссоздать давление звука на барабанные перепонки в левом и правом ушах таким же, как если бы слушатель находился в реальной звуковой среде.
2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Зная азбуку октав и
музыки, можно приступить к пониманию
АЧХ. АЧХ (амплитудно-частотная
Собственно, в чем польза АЧХ и зачем авторы TECHLABS с завидным постоянством стараются замерить эту кривую? Дело в том, что по ней можно установить настоящие, а не нашептанные "злым маркетинговым духом" производителю границы частотного диапазона. Принято указывать, при каком падении сигнала граничные частоты все-таки проигрываются. Если не указано, то считается, что были взяты стандартные -3 дБ. Вот здесь и кроется подвох. Достаточно не указать, при каком падении были взяты значения границы, и можно абсолютно честно указывать хоть 20 Гц – 20 кГц, хотя, действительно, эти 20 Гц достижимы при уровне сигнала, который сильно отличается от положенных -3.
Также польза АЧХ выражается в том, что по ней, хотя и приблизительно, но можно понять, какие проблемы возникнут у выбранной системы. Причем системы в целом. АЧХ страдает от всех элементов тракта. Чтобы понять, как будет звучать система по графику, нужно знать элементы психоакустики. Если коротко, то дело обстоит так: человек разговаривает в пределах средних частот. Поэтому и воспринимает их же лучше всего. И на соответствующих октавах график должен быть наиболее ровным, так как искажения в этой области сильно давят на уши. Также нежелательно наличие высоких узких пиков. Общее правило здесь такое: пики слышны лучше, чем впадины, и острый пик слышен лучше пологого.
Фазочастотная характеристика (ФЧХ) показывает изменение фазы гармонического сигнала, воспроизводимого АС в зависимости от частоты. Однозначно может быть вычислена из АЧХ с помощью преобразования Гильберта. Идеальная ФЧХ, говорящая, что система не имеет фазочастотных искажений, прямая, проходящая через начало координат. Акустика с такой ФЧХ называется фазолинейной. Долгое время на эту характеристику не обращали внимания, так как существовало мнение о том, что человек не восприимчив к фазочастотным искажениям. Сейчас же измеряют и указывают в паспортах дорогих систем.
Импульсной характеристикой
(импульсным откликом) называют выходной
сигнал АС при подаче на вход короткого
одиночного импульса. Идеал – если
импульсная характеристика повторит импульс
на входе без изменений. Часто
же до и после импульса на выходе
появляются всплески меньшей амплитуды.
Такое поведение отклика
Переходная характеристика
– выходной сигнал фильтра, который
является реакцией на входной сигнал
типа ступенька (сигнал с нуля мгновенно
достигает некоторой амплитуды
и устанавливается на таком уровне).
Такой импульс также может
порождать и порождает
Кумулятивное затухание
спектра (КЗС) – совокупность осевых
АЧХ (АЧХ, измеренных на акустической оси
системы), полученных с определенным
временным промежутком при
Если КЗС имеет много резонансов после верхней середины, то такая акустика субъективно будет звучать "грязно", "с песочком на ВЧ" и т.д.
Импеданс АС – это полное
электрическое сопротивление
Если говорят об импедансе, как о численной величине, начисто лишенной комплексности, то высказываются о его модуле.
График импеданса трехмерный (амплитуда-фаза-частота). Обычно рассматриваются его проекции на плоскости амплитуда-частота и фаза-частота. Если объединить эти два графика, то получится график Боде. А проекция амплитуда-фаза – график Найквиста.
Учитывая то, что импеданс зависит от частоты и не постоянен, по нему можно легко определить, какую сложность представляет собой акустика для усилителя. Также по графику можно сказать, какая это акустика (ЗЯ – закрытый ящик), ФИ (с фазоинвертором), как будут воспроизводиться отдельные участки диапазона.
Когерентность – согласованное протекание нескольких колебательных или волновых процессов во времени. Означает, что сигнал от разных ГГ акустических систем придет к слушателю одновременно, то есть говорит о сохранности фазовой информации.
2.1 Мощность
О ней можно говорить очень долго, так как видов измеряемых мощностей динамиков много.
Несколько аксиом:
- громкость не зависит только от мощности. Она зависит также от чувствительности самого динамика. А для акустической системы чувствительность определяется чувствительностью самого большого динамика, так как он и есть самый чувствительный;
- указанная максимальная мощность не означает, что можно подать ее на систему и колонки будут отлично играть. Все как раз неприятней. Максимальная мощность в течение длительного времени с высокой вероятностью чего-нибудь повредит в динамике. Мощность следует понимать, как недостижимую границу. Только меньше. Не равно и уж тем более – больше;
- при максимальной или близкой к ней мощности система будет играть на редкость плохо, потому что искажения вырастут до совершенно неприличных значений.
Мощность акустической системы бывает электрической и акустической. Акустическую мощность увидеть на коробке с акустикой нереально. Видимо, чтобы не отпугнуть клиента маленькой цифрой. Дело в том, что КПД (коэффициент полезного действия) ГГ (головки громкоговорителя) в очень хорошем случае достигает 1%. Обычное же значение лежит до 0.5%. Таким образом, акустическая мощность системы в идеале может составить одну сотую его электрического потенциала. Все остальное рассеивается в виде тепла, тратится на преодоление упругих и вязких сил динамика.
Основные виды мощностей, которые можно увидеть на акустике, такие: RMS, PMPO. Это электрические мощности.
RMS (RootMeanSquared – среднеквадратичное
значение) – усредненное значение
подводимой электрической
PMPO (PeakMusicPowerOutput – пиковая
выходная музыкальная мощность)
2.2 Параметры Тиля-Смолла
«Параметры Тиля-Смолла» — это набор электроакустических параметров, который определяет поведение динамической головки (динамика) в области низких частот.
Эти параметры полностью описывают динамик. Есть параметры как конструктивные (площадь, масса подвижной системы) (рис.2.1), так и неконструктивные (которые следуют из конструктивных). Их всего 15 штук. Для того чтобы примерно представить себе, что за динамик работает в колонке, достаточно четырех из них.
Рис.2.1_Параметры Тиля-Смолла
Резонансная частота динамика – частота резонанса динамика, работающего без акустического оформления. Зависит от массы подвижной системы и жесткости подвеса. Важно знать, так как ниже резонансной частоты динамик практически не звучит (уровень звукового давления сильно и резко падает).
Эквивалентный объем – полезный объем корпуса, нужный для работы динамика. Зависит только от площади диффузора (Sd) и гибкости подвеса. Важен потому, что, работая, динамик опирается не только на подвес, но и на воздух внутри ящика. Если давление будет не таким, какое нужно, то не видать идеальной работы динамика.
Полная добротность – соотношение упругих и вязких сил в подвижной системе динамика вблизи частоты резонанса. Чем выше добротность, тем выше упругость в динамике и тем более охотно он звучит на резонансной частоте. Складывается из механической и электрической добротностей. Механическая – это упругости подвеса и гофра центрирующей шайбы. Как ни привычно, но именно гофр оказывает большую упругость, а не внешние подвесы. Механическая добротность – 10-15% полной добротности. Все остальное – электрическая добротность, образованная магнитом и катушкой динамика.
Сопротивление постоянному току. Пояснять особо как-то здесь и нечего. Сопротивление обмотки головки постоянному току.
Механическая добротность – отношение упругих и вязких сил динамика, упругость считается только механических элементов динамика. Складывается из упругости подвеса и гофра центрирующей шайбы.
Электрическая добротность – отношение упругих и вязких сил динамика, упругие силы возникают в электрической части динамика (магнит и катушка).
Площадь диффузора – меряется, грубо говоря, линейкой. Никакого тайного смысла не имеет.
Чувствительность – уровень звукового давления, развиваемого громкоговорителем. Измеряется на расстоянии 1 метра при подводимой мощности 1 Ватт и частоте 1 кГц (обычно). Чем выше чувствительность, тем громче играет система. В двух- и более полосной системе чувствительность равна SPL самого чувствительного динамика (обычно это басовый лопух).
Индуктивность – это индуктивность катушки динамика.
Импеданст – комплексная характеристика, которая появляется не на постоянном токе, а на переменном. Дело в том, что в таком случае, реактивные элементы начинают вдруг сопротивляться току. Сопротивление зависит от частоты. Таким образом, импеданс – отношение комплексной амплитуды напряжения и комплексной силы тока на определенной частоте. (Комплексное сопротивление, зависящее от частоты, другими словами).
Пиковая мощность – это PMPO, которая рассмотрена выше.
Масса подвижной системы – эффективная масса подвижной системы, которая включает в себя массу диффузора и колеблющегося вместе с ним воздуха.
Относительная жесткость – гибкость подвижной системы головки громкоговорителя, смещение под воздействием механической нагрузки (например, пальца, который целится потыкать динамик). Чем больше параметр, тем мягче подвес.
Механическое сопротивление – активное механическое сопротивление головки. Все, что может оказать механическое сопротивление в головке, сюда входит.
Двигательная мощность – значение плотности магнитного потока, умноженного на длину провода в катушке. Также этот параметр называется силовым фактором динамика. Можно сказать, что это та мощность, которая будет действовать на диффузор со стороны магнита.
Все перечисленные параметры тесно взаимосвязаны. Это довольно очевидно из определений. Вот основные зависимости:
Fs растет при увеличении жесткости подвеса и падает с увеличением массы подвижной системы;
Vas уменьшается при увеличении жесткости подвеса и растет с увеличением площади диффузора;
Qts растет при увеличении жесткости подвеса и массы подвижной системы и падает при увеличении мощности BL (рис.2.2, таблица 2.1).
Рис.2.2_Измерение параметров Тиля-Смолла
Таблица 2.1_Параметры Тиля-Смолла
Название |
Обозначение |
Единицы измерения |
Резонансная частота динамика |
Fs |
Гц |
Эквивалентный объем |
Vas |
Литры |
Полная добротность |
Qts |
- |
Сопротивление постоянному току |
Re |
Ом |
Механическая добротность |
Qms |
- |
Электрическая добротность |
Qes |
- |
Площадь диффузора |
Sd |
м2 |
|
Чувствительность |
SPL |
дБ |
Индуктивность |
Le |
Генри |
Импеданс |
Z |
Ом |
Пиковая мощность |
Pe |
Ватт |
Масса подвижной системы |
Mms |
г |
Относительная жесткость |
Cms |
м/Н |
Механическое сопротивление |
Rms |
кг/сек |
Двигательная мощность |
BL |
- |

- Акустический и термический расчет многослойных конструкций
- Акустический расчет и мера защиты от воздействия шума
- Акустическое загрезнение окружающей средв
- Акустическое загрязнение природной среды
- Акутальные проблемы Языковой политики на современном этапе
- Акушерство
- Акушерство животных
- Акустика студий
- Акустические колебания. Действие шума на человека. Инфразвук и ультразвук. Нормирование акустического воздействия
- Акустические колебания и вибрация
- Акустические колебания и их воздействие на организм человека
- Акустические колебания. Постоянный и непостоянный шум
- Акустические особенности речи
- Акустические системы