Гари Дэвис, Ральф Джонс

Звук: теория, устройства, практические рекомендации

Мы продолжаем публикацию большого курса, в котором последовательно будут рассмотрены наиболее важные теоретические вопросы, возможности и особенности различной аудиотехники, а также современные устройства для работы со звуком. Третья глава курса посвящена единицам измерения, которые называются "децибелы" и используются для оценки уровня и мощности звуковых сигналов.

(продолжение, начало см. в “ЦВ” #4’2002, август, #5’2002, октябрь, #6'2002, декабрь.)

3.5. Громкость, уровень сигнала и коэффициент усиления

К сожалению, именно эти термины очень часто используют неправильно, поэтому сначала давайте разберемся, что они означают.

Громкость -- это уровень мощности, поэтому увеличение громкости на аудиоаппаратуре соответствует повышению мощности. Иногда громкость используют для описания интенсивности звука или амплитуды электрического сигнала, но для этих характеристик лучше применять другие, более точные термины.

Уровень сигнала -- это величина, определенная относительно какого-то стандартного значения. Так, например, уровень звукового давления в децибелах определяют относительно значения 0,0002 дин/см2, а уровень звука в процессоре обработки сигналов в дБm -- относительно значения 1 мВт.

Коэффициент усиления характеризует увеличение мощности сигнала и обычно выражается в дБ. Иногда для описания повышения напряжения используют термин коэффициент усиления по напряжению, но лучше этого не делать, так как при определенном относительном напряжении коэффициент усиления по напряжению может соответствовать и уменьшению мощности.

Пример. Измеренное напряжение на выходе процессора обработки сигналов равно 0,775 V (среднеквадратичное значение). Этот сигнал подается на усилитель мощности, а затем -- на громкоговоритель. Cреднеквадратичное значение напряжения, подаваемого на громкоговоритель, равно 0,775 V. Чему равен коэффициент усиления усилителя мощности?

Для ответа на этот вопрос приведенных данных недостаточно. Конечно, можно просто предположить, что на входе и выходе усилителя напряжение одинаковое, и коэффициент усиления по напряжению равен 0дБ. Но для четкого ответа на заданный вопрос, необходимо определить мощность, которая рассеивается на входе усилителя и на входе громкоговорителя, а для этого нужно знать их сопротивление.

Пример. На усилитель мощности с входным сопротивлением 600 Ом подается сигнал со среднеквадратичным напряжением 0,775 V. Сигнал с этого усилителя мощности поступает на громкоговоритель с сопротивлением 8 Ом. Чему равен коэффициент усиления усилителя?

Рассчитываем входную мощность:
P = E2/Z = 0,7752/600 = 0,600625/600 = 0,001 = 1 мВт.
Это нам было уже известно, так как 0,775 V при 600 Ом составляет 0 дБm или 1 мВт. Определяем мощность, которая подается на нагрузку громкоговорителя:
P =E2/Z = 0,7752/8 = 0,600625/8 = 0,075 Вт = 75 мВт.
Рассчитываем отношение выходной и входной мощности в дБ:
дБ = 10log (P1/P0) = 10log (75/1) = 10 log 75 =10 · 1,875061263 ~ 19 дБ,
т. е. при равных значениях входного и выходного напряжений, коэффициент усиления усилителя составляет 19 дБ. Учитывая, что опорное значение на входе равно 0 дБm, мощность, которая подается на нагрузку громкоговорителя (75 мВт), на выходе составит +19 дБm.

3.6. Громкость

Часто термины "громкость" и "уровень звукового давления" используют как взаимозаменяемые, но это неправильно, так как термин "громкость" имеет свое определенное значение. Уровень звукового давления в дБ определяют с помощью измерителей уровня звука.

Кривые равной громкости и Фоны

Будут ли слушатели воспринимать тестовые шумоподобные или синусоидальные сигналы с линейной АЧХ во всем диапазоне звуковых частот, направленные на усилитель мощности с линейной АЧХ, а затем на громкоговоритель с линейной АЧХ, одинаково громкими на всех частотах? Дело в том, что чувствительность слуха человека имеет нелинейный характер, и поэтому звуки равной громкости на разных частотах слушатели будут воспринимать как звуки с разным звуковым давлением.

Это явление описывается, так называемыми "кривыми равной громкости" (рис. 3.4), которые показывают, какое звуковое давление требуется создать на разных частотах для того, чтобы для слушателей громкость этих звуков была равна громкости звука с частотой 1 кГц. Чтобы мы воспринимали звуки более высоких и более низких частот, такими же громкими, что и звук с частотой 1кГц, они должны иметь большее звуковое давление. И чем меньше уровень звука (нижние кривые на рис. 3.4), тем менее чувствительно наше ухо к низким частотам.

Рис. 3.4. Кривые равной громкости

Для определения громкости был введен еще один термин, который назвали "Фон". Значение Фона всегда равно уровню звукового давления в дБ на частоте 1кГц, на других частотах эти значения отличаются. Рассмотрим, например, верхнюю кривую, приведенную на рис 3.4: на частоте 1 кГц ей соответствует уровень звукового давления 120 дБ (шкала с левой стороны графика). Эта кривая называется "120 Фон". На частоте порядка 3,5 кГц кривая, соответствующая 120 Фон, снижается до 105 дБ, в двух крайних точках этой кривой, на частотах 45 кГц и 9500 кГц, достигает 130 дБ.

На основании этих данных можно сделать следующие выводы. Ухо человека имеет максимальную чувствительность к звукам с частотой 1 кГц и менее чувствительно к звукам с крайними частотами. Чтобы мы воспринимали звуки разных частот равными по громкости звуку 120 дБ на 1 кГц, громкоговоритель должен генерировать 130 дБ на 45 Гц или 9,5 Кгц, и всего 105 дБ на 3,5 кГц.

Если внимательно посмотреть на кривые равной громкости, то можно увидеть, что пиковая чувствительность уха человека приходится на частоты, лежащие между 3 и 4 кГц. Учитывая это, производители измерителей уровня звука, предложили использовать для измерения уровня звукового давления в дБ корректирующие фильтры (рис. 3.5), которые описываются, так называемыми "взвешенными" характеристиками -- дБ (А), или дБ (Aвзв.). Кривая А, приведенная на этом рисунке, которой соответствует опорный уровень сигнала при 1кГц, опускается до 30 дБ на частоте 50 Гц и ниже 45 дБ на частоте 20 Гц, а затем поднимается на несколько дБ в диапазоне от 1,5 кГц до 3 кГц. На частотах выше 6 кГц кривая А опускается ниже значения, соответствующего частоте 1кГц. Это примерно соответствует инверсии кривой равной громкости (40 Фон), приведенной на рис. 3.4.

Рис. 3.5. Кривые взвешенных характеристик корректирующих фильтров

Кривая взвешенных характеристик А, учитывает особенности восприятия негромких звуков (см. рис. 3.5), например, шорохов в тихой аудитории на частоте 1 кГц, которым соответствует звуковое давление 40 дБ (см. рис. 3.2). В отношении громких звуков (например, рок-н-рольная музыка), ухо человека имеет линейную чувствительность. Это наглядно можно увидеть, сравнивая кривые равной громкости 100 Фон и 110 Фон (именно такая громкость характерна для рок-н-рольной музыки) с кривой 40 Фон. Чем линейнее АЧХ измерителя уровня звукового давления, тем в большей степени определенный с его помощью уровень звука будет соответствовать тому, который воспринимает слушатели. Именно этот фактор учитывают кривые взвешенных характеристик B и C. Однако многие государственные организации, отвечающие за технику безопасности и гигиену труда, продолжают пользоваться для оценки громкости звуков только кривыми А, поэтому в их отчетах очень часто фигурируют заниженные данные. Болевой порог уровня звука при частоте 1 кГц составляет 120 -- 130 дБ, и, как правило, женщины и дети более чувствительны к громкости звуков, чем взрослые мужчины.

Тонокомпенсация

Многие предусилители класса Hi-Fi и автомобильные стереосистемы имеют переключатели или регуляторы тонокомпенсации. Простой переключатель тонокомпенсации, как правило, просто усиливает низкочастотные звуки. Более сложные регуляторы тонокомпенсации дополнительно обеспечивают усиление и звуков высоких частот, а самые сложные -- непрерывное понижение общего уровня с одновременным увеличением НЧ- и ВЧ-составляющих. За счет внесения таких изменений достигается более естественное звучание, но при очень высокой громкости тонокомпенсация неэффективна. Этот подход можно использовать для тех случаев, когда необходима корректирующая эквализация за счет усиления НЧ и ВЧ при низком уровне общей громкости. При установке системы звукоусиления для инструментальной группы в маленьком клубе можно переключить измеритель звукового давления на шкалу А (это автоматически обеспечит нужный контур для выравнивания АЧХ системы на измерителе взвешенных характеристик), или немного усилить звуки на самых низких НЧ и верхних ВЧ. Только внимательно следите за ходом выступлений и отмените установленную компенсацию, когда будет выступать рок-н-рольная группа с очень энергичным звучанием.