Основы ФАп. Учебное пособие для студентов высших учебных заведений по специальности
 Скачать 7.93 Mb.
|
|
ГЛАВА 10. СИСТЕМЫ ОЗВУЧЕНИЯ И ЗВУКОУСИЛЕНИЯ 10.1. Основные показатели систем озвучения Озвучение — громкоговорящее воспроизведение акустических сигналов (вещания, звукозаписи, различной информации, в том числе сигналов гражданской обороны и др.) в заданных местах расположения слушателей в помещении или на открытом воздухе[1,2,19]. Максимальный и минимальный уровни поля — максимальная и минимальная величины уровня прямого звука (т.е. без учета интенсивности отраженного звука), создаваемые системой озвучения на озвучиваемой поверхности при подведении номинальной мощности к громкоговорителям, входящим в систему озвучения. Озвучиваемой поверхностью называют поверхность, проходящую на уровне голов слушателей. Для сидящих слушателей считают, что эта поверхность находится на высоте 1м от пола, а для стоящих — на 1,5м от поверхности, на которой стоят слушатели. Величины этих уровней зависят от назначения системы озвучения. Неравномерность озвучения — разность между максимальной и минимальной величинами уровня поля в пределах озвучиваемой поверхности.  Неравномерность частотной характеристики системы озвучения в основном определяется неравномерностью частотной характеристики электроакустической аппаратуры и частично затуханием в воздухе (при распространении звука на большие расстояния). Акустические шумы — шумы в пределах озвучиваемой поверхности, создаваемые публикой, различными агрегатами и т.п., и шумы, приходящие извне, например от транспорта. Обычно уровни и спектры этих шумов или бывают заранее заданы, иди должны быть измерены в реальных условиях. Стремятся к их уменьшению, но в ряде случаев они неизбежны. На (рис.5.2) приведены типовые акустические шумы для помещений и открытых пространств. Большинство из них имеет преобладание на низких частотах, но некоторые шумы, как, например, шумы в колоннах демонстрантов, имеют значительное преобладание в диапазоне частот свыше 1000Гц. Влияние шумов учитывают только при расчете понятности речи. Слитность звучания — отсутствие заметного или мешающего эха. Для музыкальных передач не должно быть заметного эха, т.е. следует стремиться к тому, чтобы разность уровней, запаздывающих и основных сигналов, была ниже значений, приведенных на (кривой 2, рис.10.1). Для речевых передач эхо не должно снижать понятность речи, поэтому эта разность должна быть ниже значений, приведенных на (кривой 3 рис.10.1). Частотные зависимости спектрального уровня акустических шумов приведены на (рис.10.2). Зависимость допустимой разности уровней прямого и отраженного звуков (для речевой передачи) от разности их хода при условии не снижения разборчивости речи приведена на (рис.10.3). По расположению громкоговорителей системы озвучения делятся на: сосредоточенные (централизованные), зональные (децентрализованные) и распределенные. По расположению громкоговорителей системы озвучения делятся на: сосредоточенные (централизованные), зональные (децентрализованные) и распределенные. К сосредоточенным системам относятся системы, имеющие размеры (расстояние между крайними громкоговорителями) в несколько раз меньшие расстояния от них до ближайших слушателей. При этом если расстояние между соседними громкоговорителями больше наиболее длинной звуковой волны в передаваемом диапазоне частот, то в каждой точке звукового поля складываются интенсивности звука или квадраты звуковых давлений, создаваемые каждым громкоговорителем:  . При близком расположении одинаковых громкоговорителей друг к другу (почти вплотную) складываются звуковые давления:  . Рисунок 10.1. Зависимость между требуемой разностью уровней прямого и запаздывающего (отраженного) звуков и временем запаздывания отраженного звука: кривая 1 — граница слышимости эха, 2 — граница заметности эха; 3 — граница мешающего действия эха; зоны: 0—слитное восприятие звуков; I — эхо неслышимо; II — эхо прослушивается; Ill — эхо заметно, но не мешает восприятию речи; IV — эхо снижает разборчивость речи.  Рисунок 10.2.:1— шумы на стадионе во время футбольного матча; 2 — тракторные шумы без глушителя; 3 — транспортные шумы; 4 — шумы на демонстрации; 5 — разговорные шумы; 6 — речевые шумы на открытом воздухе. К зональным системам относятся системы озвучения, представляющие собой сосредоточенные системы, каждая из которых обслуживает, в основном, свою зону озвучения. Эти зоны, как правило, стыкуют между собой. На стыках зон складываются интенсивности от ближайших громкоговорителей. На линиях стыка, если громкоговорители создают одинаковые интенсивности, уровень увеличивается на 3дБ, в углах зон — на 6дБ. К распределенным системам относятся системы озвучения, в которых громкоговорители распределены по всему озвучиваемому пространству или помещению и для которых уровни поля в каждой точке поля определяются суммарным действием всех или большинства громкоговорителей, входящих в систему. В достижении малых неравномерностей озвучения большую роль играет направленность громкоговорителей. Для звукофикации громкоговорители по направленности делят на четыре типа: ненаправленные, звуковые колонки, рупорные и радиальные громкоговорители. К ненаправленным относят диффузорные громкоговорители небольших размеров. Их применяют для звукофикации небольших по размерам объектов. Для этого используют маломощные громкоговорители. Звуковые колонки мощностью 0,5 - 100 Вт и более за редким исключением (звукофикация удаленных зон) ставятся на узкую базу, и поэтому их направленность в вертикальной плоскости значительно больше, чем в горизонтальной. Характеристика направленности их многолепестковая, но для упрощения расчетов она заменяется огибающей этих лепестков и потому имеет вид полуэллипсоида в передней полусфере и сферической — в задней, звуковое давление на 180° составляет примерно 20% от звукового давления на оси (0°). Диаграмма направленности в передней полусфере аппроксимируется полуэллипсами в вертикальной и горизонтальной плоскостях, проходящих через ось колонки, а центры эллипсов располагаются в рабочем центре колонки. Как и принято, эти эллипсы характеризуются эксцентриситетами  и  соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскости. Величины эксцентриситетов зависят от частоты (т.е. длины волны) и соответствующих размеров колонки. Значения эксцентриситетов приведены в (справочнике по акустике). В первом приближении (10.1)С учетом влияния ряда факторов более точная эмпирическая формула имеет вид:  (10.2)Здесь c = 340 м/с; d — соответствующий размер колонки (высота или ширина), м; f — частота, Гц. При расчетах уровней звукового поля часто пользуются усредненным значением эксцентриситетов (точнее, взвешенным их значением для шумового спектра речевого типа). Усредненное значение эксцентриситета для вертикальной плоскости приближенно определяется по эмпирической формуле: eВ=(1-(0,14/d+0,08)2)1/2 (10.3) где d — в метрах В горизонтальной плоскости из-за влияния размера по глубине колонки эта формула верна только для широких колонок. Если колонку ставят одну на другую или несколько колонок друг на друга, то в первом приближении результирующий эксцентриситет определяется из формулы  , (10.4)где n — число колонок; e1 — эксцентриситет одиночной колонки. Иногда колонки ставят друг подле друга, тогда результирующий эксцентриситет в горизонтальной плоскости будет определяться по аналогичной формуле. Рупорные громкоговорители имеют паспортную мощность 10 - 100 Вт и более (мощные громкоговорители используются для специальных целей: оповещение, озвучение удаленных и дальних зон до 10 км). Большинство рупорных громкоговорителей, используемых для звукофикации, имеют круглое выходное отверстие, но при комбинации двух и более рупорных громкоговорителей, устанавливаемых друг на друга, получается рупорный громкоговоритель, эквивалентный рупорному громкоговорителю с прямоугольным выходным отверстием. Применяемые рупорные громкоговорители с ячеистым рупором имеют широкую диаграмму направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях, и расчеты звукового поля для них ведутся, как для ненаправленных громкоговорителей (еВ = еГ  0).Характеристика направленности рупорного громкоговорителя аппроксимируется эллипсоидом, вершина которого находится в рабочем центре излучателя, т.е. примерно в центре выходного отверстия рупора. Для круглых рупоров характеристика направленности имеет вид эллипсоида вращения. Диаграммы направленности имеют вид эллипсов. Эксцентриситеты этих эллипсов, как и для звуковых колонок, для вертикальной и горизонтальной плоскостей, проходящих через ось рупора, обозначаются как еВ и еГ. Они зависят от частоты и размеров отверстия рупора. Для расчетов уровней звукового поля обычно пользуются усредненными значениями этих эксцентриситетов в рабочем диапазоне частот (250 - 4000Гц). Простых приближенных формул для расчета частотных зависимостей характеристик направленности рупорных громкоговорителей пока нет, и поэтому расчеты проводят только для усредненных значений эксцентриситетов. Но следует указать на то, что, на низких частотах рупорные громкоговорители излучают довольно значительную мощность и назад (в тыльную полусферу). Для наиболее часто применяемых рупорных громкоговорителей в (Л.1) приведены усредненные значения эксцентриситетов. Эксцентриситеты имеют два значения 0,77 (круглый рупор или узкая база сдвоенного рупорного громкоговорителя) и 0,95 (широкая база рупора). Радиальные громкоговорители, выпускаемые для звукофикации пространственных зональных систем, имеют характеристику направленности в форме шляпки гриба: круговая диаграмма направленности в горизонтальной плоскости и сплющенная в вертикальной плоскости, причем излучение вверх очень мало, а вниз — на 6дБ меньше чем под углом 70° к вертикальной оси. Более подходящей аппроксимации пока нет. 10.2. Особенности озвучения открытых пространств и помещений К открытым пространствам относят: улицы и площади, спортивные площадки и стадионы, открытые перроны и сортировочные станции, зеленые театры и летние эстрады, парки и зоны гуляния и отдыха, открытые выставки и площадки показа и рекламы и т.п. Кроме того, к открытым пространствам относятся зоны оповещения и информации на открытом воздухе, например для целей гражданской обороны [1,2,19]. Спецификой открытых пространств являются их зависимость от климатических факторов и атмосферных условий и необходимость учета затухания в воздухе, так как протяженность озвучиваемых зон доходит до нескольких сотен метров и даже километров. Из этих данных следует, что высокие частоты (свыше 1000Гц) затухают очень быстро, особенно при относительной влажности воздуха около 15%: на частоте 10кГц затухание достигает 28дБ на каждые 100м. При нормальной влажности (около 50 %) затухание получается вдвое меньше. Для больших расстояний (более 100м) следует пользоваться кривыми (рис. 1.16). Кроме того, затухание из-за ветра, дождя и снега может достигать 8 - 10дБ на каждые 100м. Ветер и неравномерный нагрев поверхности земли вообще могут нарушить передачу, так как звуковые лучи из-за искривления траектории могут уходить вверх или круто вниз. К специфике открытых пространств можно также отнести и более высокий άВ открытом пространстве возможно появление эха или от действия источников звука, отстоящих друг от друга не менее 17 - 18м, или вследствие отражения звуковых волн от различных предметов (больших размеров по сравнению с длиной волны), находящихся в этом пространстве и отстоящих от источника звука не менее чем на 8,5 - 9м. Второй случай, по существу, мало чем отличается от первого, так как при отражении звуковых волн (от какой-нибудь преграды на ее пути) появляется мнимый источник звука, представляющий собой зеркальное отражение истинного источника звука в этой преграде. Мощность мнимого источника звука меньше мощности истинного источника αотр раз, где αотр — коэффициент отражения звуковых волн от поверхности преграды. Так как коэффициенты отражения в реальных случаях мало отличаются от единицы, то можно считать, что мнимые источники звука имеют одинаковую мощность с основным. Поэтому оба случая возникновения эха можно объединить в один: два или несколько источников звука, разнесенных по расстоянию друг от друга. Как указывалось ранее, возникновение слышимого эха определяет две величины: разность расстояний от точки наблюдения до источников звука и разность уровней, создаваемых ими в этой точке (см. рис.5.1). Чаще всего встречаются два варианта расположения источников звука: или их оси направлены в одну сторону, или встречно. Различают дальние и удаленные зоны озвучения. Под удаленными обычно подразумевают такие, для которых еще непосредственно действует прямой звук. Это зоны, удаленные от источника звука примерно на расстояния 200м - 0,5км. Более удаленные зоны называют дальними. Их характеризуют наличием «мертвых» зон (акустической тени), создаваемых искривлением хода звуковых волн в атмосфере. Дальние зоны считаются от 1км и далее. Промежуток между дальними и удаленными зонами (0,5 - 1км) называют переходным. При озвучении удаленных зон возможны два варианта озвучения: достаточно широкая зона его (до 0,3км) при дальности не более 0,5км и узкая его зона при дальности до 1км. Особенности озвучения помещений. Помимо того, что в помещениях обязательно присутствуют реверберационные помехи и помехи от диффузного звука, имеющего уровень выше уровня прямого звука, они имеют ряд специфических черт, которые следует учитывать при их озвучении. К этим особенностям относятся: 1) наличие отражений от ограничивающих поверхностей с небольшим запаздыванием по отношению к прямому звуку, что повышает эффективность систем озвучения; 2) ограничение высоты подвеса из-за потолка; 3) как правило, меньшие размеры озвучиваемых площадей в сравнении с открытым пространством. Для озвучения помещений используют сосредоточенные и распределенные системы. Зональные системы применяются редко, если не считать, что использование отдельной системы для озвучения балконов и лож представляет собой зональную систему. Правда, в очень больших помещениях (типа выставочных) иногда применяют зональную систему. 10.3. Звукоусиление Назначение систем звукоусиления заключается в том, чтобы усилить действие первичного источника звука (оратора, лектора, солиста, музыкального ансамбля и т.п.) в тех случаях, когда из-за больших размеров озвучиваемой поверхности или из-за недостаточной мощности этого источника звука уровень поля на местах слушателей получается ниже требуемого значения [1,2,19]. Но даже при достаточной мощности первичного источника звука усиление необходимо, если объем помещения более 2000м3 или расстояние от удаленного слушателя до первичного источника более 25м. Система звукоусиления включает в себя систему озвучения, но в системе звукоусиления первичный источник звука находится в пределах озвучиваемого пространства, и поэтому микрофоны оказываются в поле действия громкоговорителей. А это приводит к появлению акустической обратной связи по цепи: громкоговоритель — помещение (или открытое пространство) — микрофон — усилитель — громкоговоритель. Поэтому все требования, предъявляемые к системам озвучения, имеют силу и в отношении систем звукоусиления, но с учетом близости первичного источника звука к слушателям и наличия обратной акустической связи. Дополнительным требованием для систем звукоусиления является необходимость локализации вторичного источника звука, так как слуховое ощущение местонахождения виртуального (кажущегося) источника звука определяется суммарным действием первичного и вторичного источников звука. В том случае, когда слушатель видит первичный источник звука, наилучшее восприятие звука получается при совпадении зрительного образа со слуховым. Этот показатель очень важен для музыки, поэтому при передаче музыкальных программ стремятся к совмещению этих образов. Задача звукоусилительной системы для передачи художественных программ заключается в том, чтобы громкоговорители создавали уровень поля на местах слушателей не менее того, который получается у слушателя, находящегося на оптимальном расстоянии от первичного источника звука, т.е. в типовых условиях слушания (rM=2,3м; rC=10-12м) система должна создавать минимальный уровень поля не менее LMIN=LМ—(12-16), где LM—уровень у микрофона, rM—расстояние исполнителя от микрофона. Разность уровней в точке с минимальным уровнем поля и у микрофона называют индексом передачи тракта микрофон—удаленный слушатель (или просто индексом тракта), т. е. QМ.С=LMIN —LM. Оптимальный индекс тракта для музыкальных передач QМ.С = (12-16)дБ. Для речевых передач при определении индексов тракта исходят из получения полной понятности речи в точках с минимальным уровнем поля, с учетом уровней шумов в этих точках. Но для случая низких уровней шумов индекс тракта можно определить так же, как и для музыкальных передач, в этом случае  , дБ. (10.5)Заметим, что эта величина индекса ориентировочная. При звукоусилении сольного пения необходимый индекс передачи следует выбирать, исходя из норм, приведенных для речевых передач, хотя некоторые певцы подносят микрофон к самому рту, и поэтому величина требуемого индекса в этих условиях получается меньше, чем для речевых программ. При звукоусилении, как правило, нет необходимости в создании громкоговорителями уровней поля вблизи первичного источника звука таких же, как для удаленных участков озвучиваемой поверхности, поэтому при расчете звуковых полей эти участки обычно исключают из рассмотрения.  Рисунок 10.4. Иллюстрация системы звукоусиления. Из-за обратной связи возможно появление самовозбуждения всей системы звукоусиления. Условие самовозбуждения системы звукоусиления — равенство единице модуля коэффициента передачи |K| по всей петле от выхода усилителя через громкоговорители, помещение (или открытое пространство), микрофоны, усилитель до его выхода. Самовозбуждение возникает на одном из пиков частотной характеристики тракта. Перед началом самовозбуждения прослушивается «позванивание» на одной из наиболее вероятных частот самовозбуждения, получается так называемая регенеративная реверберация. В таких условиях частотная характеристика тракта становится еще более неравномерной. В помещении обратная связь получается двух типов: по прямому звуку и по диффузному, а в открытом пространстве она образуется только по прямому звуку. |