К параметрам, определяющим акустические сигналы, относятся значения уровня в частотном и временном представлениях, средние значения уровней, динамический диапазон, форма спектра и занимаемая полоса частот, а также время корреляции отдельных участков сигнала. Рассмотрим основные понятия, определяющие первичный акустический сигнал.

Динамический диапазон и уровни

Уровень акустического сигнала непрерывно изменяется во времени. Интервал таких изменений может быть довольно широким.

На рис.1 показана возможная зависимость уровня сигнала от времени (уровнеграмма). Разность между максимальным и минимальным уровнями (по мощности) называют динамическим диапазоном. Обычно единицей измерения динамических диапазонов является децибел, дБ. Диапазон в дБ определяют, как 20 десятичных логарифмов от квадрата максимального размаха (разности уровней) сигнала. Следует помнить, что динамические диапазоны разных акустических сигналов существенно различны. Некоторые, наиболее типичные из них приведены в таблице.

Вид сигнала	Динамический диапазон, дБ
Речь	25-35
Фортепиано	45-55
Симфонический оркестр	65-75
Поп-рок группа	90-110

Следует различать динамический диапазон первичного акустического сигнала и динамический диапазон электроакустического тракта.

Частотный диапазон и спектры

Типовые спектры акустических сигналов (форма и относительные мощности отдельных компонент, полоса частот) существенно разнятся для разных источников звука. Любой сигнал можно представить значениями его уровня в любой момент времени - такое представление называют импульсным. Другой способ - частотный. В этом случае сигнал представляют непрерывной совокупностью гармонических колебаний. Таким образом, спектр акустического сигнала - это зависимость амплитуд частотных компонент от частоты (амплитудно-частотная характеристика). Формально, строгим определением спектра является специальное интегральное преобразование, выполняемое на бесконечно большом отрезке времени. На практике временные интервалы, на которых определяют спектры сигналов, ограничены, но они все же должны быть много больше обратного значения возможной полосы частот сигнала.

Частотные характеристики реальных сигналов с ростом частоты спадают. Под полосой частот понимают тот интервал, где уровень частотных компонент превышает некоторое заданное значение, например -60 дБ. За пределами этого интервала значения уровня частотных составляющих принимаются за 0, хотя строго это и неверно. На рис.2 и рис.3 приведены возможные усредненные спектры и частотные диапазоны для некоторых типовых звуковых сигналов.

Уровнеграммы

К временным (импульсным) характеристикам относятся уровнеграмма сигнала и время корреляции. Корреляция - это достаточно сложный, но в определенных отношениях важный параметр, заимствованный из теории вероятности. Дело в том, что любой несущий информацию сигнал следует рассматривать как случайный процесс. Белым шумом называют такой случайный сигнал, в котором все последующие значения уровня никак не зависят от предыдущих. Белый шум имеет нулевое среднее значение размаха сигнала и бесконечно широкий спектр. Реальные сигналы отличаются от белого шума тем, что последующие значения зависят от предыдущих. Такая зависимость и называется корреляцией, а среднее значения интервала времени в пределах которого эта зависимость сохраняется, называется временем корреляции. Время корреляции, в частности, важно учитывать потому, что оно определяет время взаимодействия (интерференции) с отраженными сигналами, а, следовательно, и интенсивность интерференционных помех.

Уровнеграмма сигнала дает возможность определить резкие переходы интенсивности и, потому, с ее помощью можно предъявить требования к постоянным времени тракта передачи сигнала.

Нарушения точности передачи бывают самого разнообразного вида. Основные из них, это: потеря акустической перспективы, смещение уровней, ограничение динамического и частотного диапазонов сигнала, помехи и искажения. Поэтому основной задачей построения электроакустических систем, и в частности устройств обработки звука, является максимальное достижение идентичности характеристик первичных и вторичных акустических сигналов. Совершенно очевидно, что для решения этой задачи необходима широкая гамма устройств, конкретно воздействующих на тот или иной параметр акустического сигнала.

Основные варианты построения электроакустического тракта

Как видно на рис.2 и 3 первичный акустический сигнал обладает широким спектром и для его правильной передачи электроакустический тракт должен иметь достаточно широкий частотный диапазон. На рис.4 показаны основные варианты решения этой задачи.

Вариант рис.4А используется в системах малой мощности и в отдельных случаях в системах средней мощности. Этот вариант требует применения широкополосных усилителей и головок громкоговорителя очень высокого качества. Практически невозможно реализовать в широкополосной головке громкоговорителя требования, предъявляемые к высококачественному электроакустическому тракту, а именно: малая равномерность частотной характеристики, низкий уровень нелинейных (зависящих от уровня) и интермодуляционных (интерференция компонент из-за нелинейности в частотном представлении) искажений и т.п. Поэтому в системах большой и средней мощности данный вариант не применяется.

Вариант рис.4Б широко применяется в высококачественных системах малой и средней мощности. Применение пассивных фильтров позволяет значительно снизить требования к головкам громкоговорителей и наряду с этим повысить качество всей системы: уменьшается неравномерность частотной характеристики, снижается уровень нелинейных и интермодуляционных искажений. Но вместе с этим данному варианту присущи следующие недостатки: использование высококачественного усилителя, невозможность установления правильных фазовых соотношений между различными участками частотного спектра, снижение звукового давления из-за потерь активной мощности на фильтрах, ухудшение демпфирования низкочастотной головки громкоговорителя (бубнящий призвук), сложность настройки фильтров под конкретные головки громкоговорителя и получения идентичных акустических характеристик в многоканальных системах. Повышение мощности систем приводит к возрастанию влияния указанных недостатков на качество, что ограничивает применение этого варианта.

Для систем большой мощности пассивные фильтры становятся малоэффективны и в большинстве случаев заменяются системой активных фильтров - КРОССОВЕРОМ, разделяющих спектр на отдельные частотные полосы с последующим усилением отдельным усилителем в каждой полосе. Применение активных фильтров, вариант рис.4В, существенно снижает требования к усилителям и головкам громкоговорителей, упрощает настройку всей системы.

По сравнению с однополосным усилением и частотным разделением спектра с помощью пассивных фильтров на выходе мощного усилителя, многополосное усиление позволяет повысить уровень звукового давления при той же мощности, получить линейную амплитудно-частотную характеристику по звуковому давлению путем взаимно-независимой регулировки усиления в каждой частотной полосе, уменьшить нелинейные и интермодуляционные искажения во всем электроакустическом тракте, добиться высокой крутизны разделения частотного спектра, установить правильные фазовые соотношения между частотными полосами, упростить регулировку амплитудно-частотной характеристики по звуковому давлению при замене головок громкоговорителей, получить идентичные акустические характеристики отдельных звеньев в многоканальных системах, улучшить демпфирование НЧ-головок громкоговорителей.

(Продолжение в следующем номере)