Звукотехніка

Введення Звукотехніка є однією з областей масової технологічної діяльності, при якій засобами електроніки здійснюється обробка, накопичення та поширення в електричній формі звукових сигналів частот. Сучасна звукотехніка спрямована на задоволення потреб людини в знаннях, культурі, освіті. Завдяки повсюдному поширенню звукотехнічних пристроїв у поєднанні із засобами масової аудіовізуальної інформації та комунікації формується та змістовна частина навколишнього людини штучної акустичного середовища, яка надає, як правило, позитивне раціональне і емоційний вплив на людей. Широке поширення стереофонії почалося з 50-х років. Однак перша спроба просторової звукопередачи була зроблена майже 100 років тому, відразу ж після винаходу телефону. У 1881 році на Всесвітній виставці в Парижі винахідник Клемент Адер здійснив двоканальну передачу звуку з оперного театру. Передача велася по телефонних дротах, сполученим з двома групами мікрофонів, одна з яких розміщувалася праворуч, а інша ліворуч від сцени. Відвідувачі виставки, ведучи прослуховування на кілька пар головних телефонів, могли визначити розташування співаків на сцені, а також розміщення інструментів в оркестрі. У 1912 році подібні досліди були проведені в Берліні. Передача з оперного театру велася по двох телефонних лініях і відтворювалася кількома гучномовцями. У 20-х роках були зроблені спроби стереофонічної передачі по двох радіоканалах. Як тільки кінематограф став звуковим, було визнано за доцільне змусити звук слідувати за переміщеннями акторів вздовж екрану. У 1930 році французький кінорежисер Абель Ганс здійснив просторове відтворення звуку в залі кінотеатру, для чого встановив динаміки не тільки за екраном, але і в самому залі. Радянські інженери Б. М. Конопльов і М. З. Висоцький у 1936-1937 роках провели роботи по зйомці і демонстрації в столичному кінотеатрі "Москва" фрагментів звичайного 35-мм кінофільму з двоканальним стереофонічним звуковим супроводом. У ці ж роки у Всесоюзному науково-дослідному кінофотоінстітуте (НІКФІ) під керівництвом П. Г. Тагер були проведені досліди по двоканальної запису і відтворення звуку в кіно з метою вивчення стереофонічного ефекту. Досліди проводилися і в області стереофонічної грамзапису. У 1931 році англійський винахідник А. Блюмейн запропонував спосіб запису двох сигналів в одній канавці грамплатівки шляхом незалежної модуляції стінок канавки. Через два роки фірма "Коламбія гремофон компані" виготовила стереофонічні грамплатівки за цим способом. У міру накопичення досвіду і теоретичного осмислювання результатів, з'ясувалися деякі недоліки та обмеження, властиві двоканальної стереофонії: ефект провалу звуку в центрі між гучномовцями, вузька зона прослуховування, в якій відчувається стереоефект, спотворення локалізації джерел звуку. Тому було вжито експерименти по трьохканальної стереофонічної передачі симфонічних концертів. У 1933-1935 роках такі експерименти в США провів Г. Флетчер спільно з диригентом Л. Стоковским, а в СРСР - І. Є. Горон. У Москві передача здійснювалася з Колонної зали Будинку Союзів, де перед оркестром на сцені були встановлені мікрофони, до Жовтневого зал. Якість відтвореного звучання було настільки високим, що склалося повне враження присутності на сцені Жовтневого залу самого оркестру, а не системи гучномовців. Експерименти зі стереофонічними записами на кіноплівці, а потім на магнітній стрічці тривали і в післявоєнні роки. Проте лише в 50-ті роки ці розробки стали освоюватися промисловістю. Перші успіхи були досягнуті в кінематогорафе, коли було налагоджено виробництво широкоекранних кінофільмів за системою "Сінемаскоп" з чотирьохканальною магнітної фонограмою. Це була перша практична реалізована система квадрофоніі. Три канали стереофонічної передачі працювали на Заекранний гучномовці, а четвертий - так званий канал звукових ефектів - на гучномовці, розташовані на стінках по периметру залу. У СРСР широкоекранні кінофільми зі стереозвуком демонструються з 1954 року. Було випущено також панорамні кінофільми із сімома в американській системі та дев'ятьма в радянській системі каналами звуки. У вітчизняної системі п'ять каналів обслуговували Заекранний гучномовці, а інші канали чотири групи гучномовців, розташовані відповідно на правій, задньої і лівої стінках, а також на стелі залу для глядачів кінотеатру. У широкоформатних фільмах на 70-мм кіноплівці в даний час використовується секстафонія, тобто шестиканальна Стереофонія: п'ять каналів працюють на Заекранний гучномовці та один канал - на гучномовці залу для глядачів. У 1958 році був розроблений ухвалений потім у багатьох країнах спосіб запису стереофонічних грамплатівок шляхом модуляції двох стінок канавки, в основі яких лежать ідеї О. Блюмейна. У 60-х роках стереофонічні грамплатівки вже знайшли широке поширення в побуті. Їх випуск стереофонічні побутові програвачі і магнітофони - котушкові, а потім і касетні. З кінця 50-х років у ряді країн стали проводитися інтенсивні роботи зі створення стереофонічного радіомовлення. Перша стереофонічна радіопередача в нашій країні відбулася в 1960 році. Використовувалася система з полярною модуляцією, розроблена у Всесоюзному науково-іcследовательском інституті радіомовного прийому і акустики (ВНІІРПА) імені А. С. Попова. У 1961 році в США була розроблена і впроваджена система стереофонічного радіомовлення пілот-сигналом, запропонована фірмами "Дженерал електрик" і "Зеніт". Незабаром цей спосіб з невеликими змінами був прийнятий поруч радіостанцій Канади, Японії, а також деякими організаціями Європи. Як система з пілот-сигналом, так і система з полярною модуляцією рекомендована Міжнародною консультативною комісією по радіомовленню (МККР) для застосування в міжнародному радіомовленні. Двоканальна Стереофонія отримала в 60-х роках досить широке поширення. У той же час найбільш кваліфіковані любителі музики почали відзначати її недоліки: недостатньо повну передачу акустичної "атмосфери" залу і глибини звукової картини, обмеженість зони стереоефекту при прослуховуванні. Все частіше почали вироблятися досліди за три-і чотирьохканальною відтворення. У 1969-1971 роках на світовому ринку перші зразки чотирьохканальною (квадрофонічного) апаратури: магнітафони, електрофони, грамплатівки. Почалися досвідчені квадрофонічного радіопередачі. Спочатку квадрофонія була прийнята як новинка, яку навряд чи судилося одержати широке поширення: надто вже дорогою ціною - двократним збільшенням числа каскадів - поліпшується стереофонічний ефект. Подальший хід подій не підтвердив цього, квадрофонія продовжує привертати до себе все більше любителів високоякісного звуковідтворення. Сучасна звукотехніка розвивається у двох основних напрямках. По-перше, це все більш розширюється застосування інтегральних схем і, по-друге, використання цифрової техніки не тільки для управління та регулювання, але і для передачі сигналів. Сучасні способи передачі і запису звуку, реалізовані, наприклад, в системі компакт-диск, зажадали аналогових підсилювачів з досить високими показниками якості: динамічним діапазоном до 100 Дб і коефіцієнтом нелінійних спотворень близько 0,002. Керуючі ланки, де все частіше використовуються засоби цифрової техніки, це такі електронні пристрої, як, наприклад, перемикачі, регулятори гучності, тембру і т.д. Швидко прогресуючі можливості інтегральної схемотехніки перш за все використовуються в зазначених областях. При обробці сигналів в електронних пристроях звукових прагнуть по можливості більш повно зберегти міститься в сигналах інформацію. При цьому об'єктивна оцінка якості звукотехнічних пристроїв здійснюється за такими основними показниками: - лінійні спотворення (нерівномірність амплітудно-і фазочастотного характеристик), - нелінійні спотворення і паразитна модуляція (поява нових складових у частотному спектрі сигналу, варіації рівня і частоти подаються сигналів - детонація), - відносний рівень перешкод (відношення сигнал / перешкода). Удосконалюються методи аналізу звукотехнічних схем дозволяють розкривати все нові причини, що призводять до спотворень при відтворенні. Вирішальну роль при аналізі електронних схем звукового обладнання грають розрахунки та моделювання на ЕОМ, а при конструюванні - машинне проектування. Значним є прогрес і в техніці звукотехнічних вимірювань. Тільки завдяки новим методам і засобам вимірювань стало можливим об'єктивне підтвердження самих різних ефектів, передбачуваних на основі розрахунків. Розрахункова частина Вибір числа піддіапазонів Для того, аби приймач міг приймати сигнали від різних станцій, які мають різні частоти, він повинен мати розбудовуємо резонансну систему для настройки на ці частоти. Перебудовуються резонансні системи знаходяться під вхідного ланцюга, гетеродині і в підсилювачах високої частоти (ВЧ), якщо вони резонансні. Конструктивно налаштування цих каскадів - це зміна реактивних елементів резонансної системи: індуктивності або ємності. Найчастіше реактивний елемент - ємність. Конструктивно неможливо перебудовувати ємність так, аби резонансна частота змінювалася від fmin ДВ-діапазону до fmax УКХ-діапазону. Тому діапазон частот, який повинен приймати приймач, розбивають на піддіапазони. Перехід з піддіапазону на поддіаназон здійснюється за допомогою перемикаються індуктивностей. Критерієм, для того щоб дізнатися, чи необхідно розбивати діапазон приймача на піддіапазони, служить коефіцієнт діапазону кg, що розраховується за формулою (2.1) кg = fmax / fmin, (2.1) де fmax - максимальна частота діапазону, КГц; fmin - мінімальна частота діапазону, КГц. Виходячи з моїх даних кg = 400/150 = 2,66. Розбивка на піддіапазони проводиться, якщо кg> 3. Так як в даному випадку кg = 2,66, то розбивка на піддіапазони не потрібна, тобто можна перекрити діапазон одним змінним елементом. Вибір проміжної частоти Так як для реалізації своїх вихідних даних я вибрав схему супергетеродинного приймача, то велике значення для забезпечення сталості його якісних показників на заданому рівні, набуває правильний вибір проміжної частоти fпр. При виборі проміжної частоти необхідно керуватися наступними міркуваннями. Проміжна частота повинна знаходитися поза діапазону частот, що приймаються і не повинна збігатися з частотами потужних радіостанцій, в іншому випадку сигнал буде пригнічений сигналами цих радіостанцій. Проміжна частота повинна мати стандартне значення, встановлене ГОСТом, оскільки на таких частотах потужні радіостанції не працюють. Обрана проміжна частота повинна мати таке значення, при якому найбільш ефективно можна буде забезпечити хорошу вибірковість як по сусідньому, так і по дзеркальному каналу. Для забезпечення більш високої вибірковості по дзеркальному каналу Seз, проміжна частота повинна бути по можливості вище (дзеркальний канал відстає від корисного на 2fпр), а для забезпечення вибірковості по сусідньому каналу Sез - якомога нижче (сусідній канал відстає від корисного на величину 10 кГц) . Проте зі збільшенням fпр погіршується добротність виборчої фільтру системи зосередженої селекції (ФСC), а отже не відбудеться забезпечення високої вибірковості по сусідньому каналу, в слідстві чого на навантаженні радіоприймальних пристроїв (РПУ) буде виділятися сигнал з частотою fпр 10 кГц. Тому, щоб цього не трапилося необхідно, щоб ФСC мав досить високою вибірковістю, а це можливо тільки при достатньо низькій fпр, тому що при зменшенні fпр збільшується добротність. При великій fпр добротність ФСC менше, його АЧХ має більш пологі схили і більш широку смугу пропускання, в яку входить сигнал з сусіднього каналу. У випадку, якщо fпр менше - добротність ФСC більше, смуга пропускання менше і сигнал з сусіднього каналу в цю смугу не входить. Виникло протиріччя: з одного боку потрібно збільшити fпр для забезпечення високої Sез, з іншого боку потрібно зменшити Sпр для забезпечення високої Sез. Тому щоб задовольнити ці дві умови потрібно вибрати необхідну fпр. Дотримуючись ГОСТу видно, що проміжна частота для ДВ, СВ і КВ діапазонів дорівнює 465 кГц, для УКХ діапазонів 10,7 МГц, а для радіолокаційних РПУ fпр = 100 МГц. Виходячи з вище написаного, зробимо висновок, що для даного приймача проміжна частота дорівнює 465 кГц, так як даний приймач довгохвильовий. Так само необхідно забезпечити вибірковість по проміжній частоті. Якщо на частоті рівної проміжної буде працювати передавач, то змішувач перетворювача для цієї частоти буде резонансним підсилювачем і з-за деяких резонансних властивостей тракту ВЧ у навантаженні РПУ ми будемо чути на ряду з корисним сигналом сигналу-перешкоду на fпр. Послабити цей побічний канал можна включенням в ланцюг антени фільтра "пробка". З вищесказаного випливає, що вибірковість по побічних каналах, а так само інші показники РПУ залежать від правильного вибору проміжної частоти. Розподіл частотних спотворень по трактах РПУ Частотні спотворення вносять все тракти приймача. Необхідно розрахувати конкретні значення частотних спотворень кожного тракту, оскільки значення допустимих частотних спотворень, заданий у вихідних даних коефіцієнтом М, має бути розподілено по всьому тракту приймача. Коефіцієнт частотних спотворень тракту РЧ - Мтрч розраховується за формулою (2.14) Мвч = М - МНЧ, (2.14) де М - заданий коефіцієнт частотних спотворень приймача, дБ; МНЧ - коефіцієнт частотних спотворень тракту ЗЧ, дБ. З моїх вихідних даних М = 5 дБ, МНЧ задається в межах 3-6 дБ. Я вибираю МНЧ = 3 Дб. Мвч = 5 - 3 = 2 дБ. Отримане значення Мвч складається з частотних спотворень трактів сигнальної та проміжної частот. Використовуючи коефіцієнт частотних спотворень ТСЧ Мтсч отримуємо частотні спотворення ТПЧ Мтпч = ​​Мвч - Мтсч, (2.15) де Мвч - коефіцієнт частотних спотворень високочастотної частини (ВЧ), дБ; Мтсч - коефіцієнт частотних спотворень тракту сигнальної частоти (ТСЧ), дБ. Виходячи з моїх даних Мтпч = ​​2 - 0 = 2 дБ. 2.5 Вибір виборчої системи тракту ПЧ Виборча система тракту проміжної частоти (ТПЧ) забезпечує вибірковість приймача по сусідньому каналу і разом з трактом сигнальної частоти формує резонансну характеристику приймача. Значення вибірковості Slр, за яким розраховують виборчу систему, визначають виходячи із запасу на 15-20% (у відносних величинах), що дозволяє забезпечити задані вимоги при погіршенні вибірковості, викликаному неточністю сполучення налаштувань контурів. Слід врахувати також значення вибірковості по сусідньому каналу в ТСЧ, який істотно впливає на вибірковість на довгих хвилях. Таким чином, розрахункова вибірковість Slр ​​= (1,5-1,2) Sl / Slтсч, (2.16) де Sl - задана вибірковість по сусідньому каналу, дБ; Slтсч - вибірковість по сусідньому каналу тракту ВЧ, дБ. З вихідних даних Sl = 24 дБ = 15,9; з формули (2.11) Slтсч = 1,004 можна вивести наступне: Slр = 1,2 * 15,9 / 1,004 = 19 = 25,5 дБ. Виборчою системою ТПЧ служить система фільтрів зосередженої вибірковості. Кількість ланок ФСC в радіомовних радіоприймальних пристроях рідко перевищує 5, а в деяких професійних приймачах воно досягає 9-13. Кількість ланок ФСС вибирається відповідно до Slтпч з розрахунку 10-12 дБ на одну ланку. У даному випадку число ланок ФСC дорівнює трьом. Але так як перша ланка ФСС тракту проміжної частоти (ПЧ) шунтується вихідним опором транзистора-підсилювача ПЧ, то отже добротність першого і останнього ланки падає, тому я буду робити ФСС з чотирьох ланок, щоб забезпечити задану вибірковість.