Уровень звука и динамический диапазон излученного сигнала

На начальном этапе для расчета и определения спецификации систем звукоусиления требуется следующая информация:

уровень шума или воздействие на слушателя;

ожидаемый уровень звука;

требуемое отношение сигнал-шум;

мощность источников, работающих в составе системы;

звуковая мощность, необходимая для получения требуемого уровня звука в месте нахождения слушателя.

ТРЕБУЕМЫЙ УРОВЕНЬ ЗВУКА.

Если не учитывать уровень постороннего звука, то необходимый для системы уровень звука зависит от ожиданий слушателя. Для речи этот уровень составляет 70…75 дБ, и он легко достигается на малом расстоянии от говорящего. Для музыки это значение существенно выше вследствие более широкого динамического диапазона. В реверберационном звуковом поле зала даже для больших симфонических оркестров, играющих фортиссимо, уровень звука редко превышает 95 дБ, но на концертах поп-музыки, даже на большом расстоянии от сцены, регистрировались значения 105… 110 дБ.

ПОЛЕЗНЫЙ УРОВЕНЬ. УРОВЕНЬ ШУМА.

Определение параметров системы звукоусиления следует начинать с уровня шума, который должен быть превзойден. На открытом пространстве (то есть без окружающего звука, создаваемого реверберацией) средний уровень звука в месте нахождения слушателя должен быть по крайней мере на 10 дБ выше уровня шума, это обеспечит достаточную разборчивость. (Строго говоря, это условие должно выполняться для каждой критической полосы.).

Установлено, что, в зависимости от времени реверберации Г, разборчивость может быть улучшена за счет увеличения отношения сигнал-шум до 35 дБ.

В помещениях тоже необходимо учитывать мешающий эффект отраженного звука, который доходит до места расположения слушателя более чем через 50 мс (для речи) или 80 мс (для музыки) после прямого звука. Если задержанный звук производится самой системой, возможный мешающий эффект нельзя устранить, просто увеличив уровень звука: этому поможет лучший выбор громкоговорителей и мест их размещения. Это приобретает особое значение, если используются большие помещения с реверберацией. В таких случаях необходимо следить за тем, чтобы уровень прямого звука в условиях свободного поля не оказывался в зоне восприятия звука ниже 6…9 дБ относительно уровня реверберационного звука. Это означает, что расстояние до слушателя по возможности не должно превышать удвоенного критического расстояния.

При расчете мощности кроме уровня звука, определяемого отношением сигнал-шум и динамическим диапазоном, следует учитывать необходимый резерв по перегрузке, чтобы исключить искажения при передаче возможных пиков сигнала. Это резерв, естественно, не должен добавляться, например, при температурном расчете системы.

ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН.

Для передачи любого сигнала необходимый диапазон уровней должен находиться между максимальным и минимальным уровнями сигнала. Этот диапазон в звуковой технике и акустике называется динамическим диапазоном (термин взят из теории музыки). Динамический диапазон в этом смысле понимается как субъективная концепция для громкости и объективная концепция для таких физических количественных величин, как интенсивность звука или его уровень. Необходимо различать:

исходный динамический диапазон —характеристика исходного сигнала источника;

диапазон программы —динамический диапазон звукового сигнала в канале передачи;

диапазон воспроизведения —динамический диапазон и условия воспроизведения в месте нахождения слушателя.

Рис. 7. Динамический диапазон сигналов речи и оркестра как функция частоты На рис. 5.6 представлены динамические диапазоны сигналов речи и оркестра. Из рисунка следует, что исходный динамический диапазон может лежать в пределах от 30 до 100 дБ.

Структура усиления в передающем оборудовании характеризует диапазон программы, показывающий, что диапазон программы — это разность между отношением сигнал-шум и запасом на перегрузку (верхний допуск), а также защитным допуском на шум (нижний допуск). Это означает, что, с одной стороны, необходимо учитывать нижний допуск между уровнем сигнала и уровнем шума в системе (эквивалентный уровень шума хорошего микрофона составляет около 20 дБ), а с другой, что необходим запас на перегрузку для неискаженного воспроизведения отдельных пиков программы, которые могут превышать эффективную величину полезного сигнала на 20 дБ (особенно, если используются цифровые методы хранения и передачи). В системах звукоусиления обычно стремятся, чтобы нижний и верхний допуски равнялись 10 дБ. Чтобы при таких условиях попытаться передать без каких-либо ограничений сигнал с исходным динамическим диапазоном 80 дБ, внутреннее отношение сигнал-шум в системе должно составлять 100 дБ. Такого значения не удается достичь даже в самых лучших цифровых системах. Правда, как показывает качество радиопередач, этого никогда и не требуется.

Диапазон воспроизведения электроакустических систем может колебаться от 40 дБ для обычного вещания до максимум 60 дБ для цифровой звукозаписи. Таким образом, максимальный исходный динамический диапазон обычно шире, чем диапазон воспроизведения.

Поскольку помимо диапазона программы необходимо учитывать фоновый шум в помещении, где осуществляется воспроизведение, при определенных обстоятельствах отношение сигнал-шум может снижаться (рис. 5.7), что, в свою очередь, приводит к уменьшению диапазона передачи. Опыт показывает, что системы звукоусиления часто звучат довольно громко на фортиссимо, но тихие компоненты (пианиссимо) тонут в шумах системы. Ограничение сигнала (в результате перемодуляции) может приводить к недопустимым искажениям на верхнем пределе модуляции. С этим можно бороться, если намеренно изменять диапазон программы. Для этого сегодня часто используют лимитеры, которые одновременно служат в качестве устройств защиты высококачественных громкоговорителей. При передаче классической музыки следует учитывать, что использование лимитеров и усилителей с АРУ может привести к значительным искажениям оптимального уровня сигнала.

В табл. 1 указаны отношения сигнал-шум (диапазон программы, в том числе нижний допуск) электроакустических систем и устройств. Используя системы шумоподавления компандерного типа, можно достичь отношения сигнал/шум выше 70дБ.

Отношения сигнал-шум электроакустических устройств и носителей.

Устройство Отношение сигнал/шум, дБ

Аналоговый студийный магнитофон 48−55.

Аналоговый студийный магнитофон с компандером 60−70 (Dolby SR, Tel-Com C4).

Кассетный магнитофон 35−45.

Кассетный магнитофон с компандером 40−50 (Dolby В, High-Corn).

Запись на грампластинку 40−50.

Запись на грампластинку с компандером (СХ, UC) 50−60.

Микрофон 70−75.

Компакт-диск 80−90.

Цифровой кассетный магнитофон (R-DAT) 70−90.