Устройства записи и воспроизведения звука, усилители

Устройства записи и воспроизведения звука играют важную роль в системах звукоусиления. Наиболее часто их применяют, например, для воспроизведения:

• фоновой музыки в информационных системах;

• музыки в шоу и музыкальных программах (например, музыкального аккомпанемента для солистов или постоянного ритма - метрономной дорожки - для обеспечения синхронности движений артистов и музыки);

• разнообразных звуковых спецэффектов для создания акустической атмосферы в театральных постановках;

• специально подготовленных записей как части современной композиции в концертных или оперных залах.

Аналоговые устройства записи и воспроизведения звука

Программы, воспроизводимые в помещении, обычно записывали и до сих пор записывают на двухканальные студийные магнитофоны. В отличие от метода стереофонической записи для компакт-дисков и радиопередач, в этом случае общепринято записывать на разные дорожки различные группы, например, голоса и аккомпанемент или струнные и медные инструменты, чтобы иметь возможность скорректировать баланс или подать сигналы этих групп на разные громкоговорители. 

Для специальных целей в многоканальных системах звукоусиления тоже используются устройства с восемью и большим числом дорожек. При производстве записей, а также при их воспроизведении через многоканальные звуковые системы широко используются 4, 8- и 16-канальные магнитофоны. 

Один из недостатков аналоговой техники магнитной записи - более низкое отношение сигнал-шум по сравнению с остальными элементами звукового тракта. В 1/4-дюймовых стереомагнитофонах это отношение составляет не более 60 дБ, а с увеличением каналов записи оно уменьшается. Например, 1/4-дюймовые четырехканальные магнитофоны имеют отношение сигнал-шум всего 35...40 дБ. Для уменьшения шума ленты в настоящее время используются такие хорошо отработанные системы шумоподавления, как Dolby SR или Telcom C4. Они улучшают отношение сигнал-шум максимум на 30 дБ. Эти системы базируются на переменной, частотно-зависимой компрессии (динамическом сжатии) при записи и соответствующей коррекции при воспроизведении. Такая комбинация компрессора и экспандера называется компандером. 

Кроме студийных магнитофонов с записью на катушки/бобины ленты также применяются кассетные магнитофоны, которые получили широкое распространение и отличаются простотой пользования. В большинстве случаев они используются как стереофонические устройства записи на ленты различных типов по классификации МЭК: I (Fe2O3), II (СгО2), III (двухслойная лента) и IV; в них тоже применяются различные системы шумоподавления (Dolby В, Dolby С, dbx и др.)- Благодаря простоте эксплуатации и широкому распространению этих систем кассеты часто используются солистами для музыкального аккомпанемента. Во время конгрессов и съездов с помощью кассетных магнитофонов записывают ход заседания.

Кроме аналоговых устройств записи на магнитную ленту любая достаточно крупная звуковая студия должна иметь возможность воспроизвести виниловые грампластинки, также как и их современную версию на компакт-дисках.

Цифровые устройства записи и воспроизведения звука

По сравнению с аналоговыми цифровые устройства записи и воспроизведения звука открывают совершенно новые возможности. Различают магнитные, оптические и электронные носители. Они обеспечивают почти неограниченное число перезаписи без ухудшения качества, с коррекцией ошибок и практически не вносят искажений.

Все цифровые операции, осуществляемые в звуковой технике и, естественно, в технике звукоусиления, требуют дискретизации сигналов с частотой не менее 30 кГц, чтобы обеспечить передачу частот до 15 кГц. В связи с конечной крутизной спада характеристики ограничительных фильтров нижних частот и необходимостью передачи дополнительных сигналов управления тактовую частоту желательно выбирать равной примерно 44 кГц. Для бытовой техники обычно используют частоту 44,1 кГц, а для профессионального оборудования - 48 кГц. В некоторых системах магнитной записи на ленту (например, R-DAT) имеется возможность переключения с 44 кГц на 48 кГц. 

Цифровые устройства магнитной записи, например, кассетные магнитофоны типа R-DAT (с вращающимися магнитными головками) и S-DAT (магнитная запись с использованием неподвижной магнитной головки на несколько параллельных дорожек), не нашли широкого применения из-за высокой стоимости и других недостатков. 

Важную роль в качестве цифровых устройств хранения информации играет группа оптических носителей данных. Наиболее распространен компакт-диск (CD), информация на который записывается в виде крошечных ямок (питов), сканируемых лазером. Посредством процедуры поляризации емкость диска можно увеличить, а используя записывающие устройства (так называемые CD-writer), на диск можно записать собственные данные. В настоящее время все шире используются стираемые и перезаписываемые оптические диски. (Используются магнитооптические и аморфно-кристаллические методы записи.) По сравнению с записью на магнитную ленту, эти методы обеспечивают бесконтактное сканирование и, следовательно, отсутствие износа носителя при многократном использовании. Другие преимущества - быстрота доступа, возможность составления и воспроизведения программы, возможность точной установки и подстройки поисковых меток. 

Все шире применяются средства хранения, которые пришли из компьютерной техники. Так называемая "запись на жесткий диск" позволяет получать быстрый доступ к любым звуковым дорожкам, а программное обеспечение, базирующееся на последующей обработке, постоянно совершенствуется. 

Современные разработки также привели к увеличению емкости CD-ROM; DVD (Digital Versatile Disc - "цифровой многофункциональный диск) позволяет хранить, в зависимости от частоты дискретизации и частотной характеристики, целые книги, полнометражные фильмы или до трех часов высококачественной музыки. Поэтому все более важное значение приобретает не только архивирование звука и видеодокументов, но и простое использование звуковых дорожек (а также быстрый доступ к ним) звукооператорами, работающими за микшерным пультом.

Электронное хранение с использованием оперативных запоминающих устройств (ОЗУ) и стираемых программируемых постоянных запоминающих устройств (ППЗУ) тоже применяется в технике звукоусиления. Оно позволяет записывать и накапливать звуковую информацию и вызывать ее из памяти с помощью компьютера в различных комбинациях. Эти устройства используются, например, в информационных системах для создания "синтезированных" объявлений.

Регулировка уровня

В отличие от аналогового метода, в котором максимальная модуляция обычно ограничивается характеристикой канала записи, в цифровом методе перегрузка аналого-цифровых преобразователей приводит к внезапным сильным искажениям. Поэтому сигналы, записываемые в цифровой форме, необходимо контролировать с помощью пикового индикатора уровня.

Следует учитывать, что воспроизводимые цифровые записи имеют больший динамический диапазон. По сравнению с аналоговой, при воспроизведении цифровой записи необходим больший резерв мощности, чтобы обеспечить тот же уровень звука (определяемый среднеквадратическим значением). Вот почему в международной практике принят "запас по максимуму" не менее 10 дБ. Другое ограничение динамического диапазона определяется шумом дискретизации, для чего требуется "запас по минимуму" 16...20 дБ. Эти ограничения означают, что качество воспроизведения аналоговых записей с применением эффективных компандеров сегодня сравнимо с качеством обычной цифровой записи. Поэтому значительного улучшения качества цифровой техники можно ожидать лишь при полном распространении 24-битной техники.

Усилители

В каждой системе звукоусиления электрический сигнал, создаваемый различными источниками, должен быть усилен до величины, при которой возможна работа громкоговорителей. В упрощенном представлении процесс усиления можно разделить на две стадии: предварительное усиление и усиление мощности. Если выполняются микширование, регулирование уровня или обработка звукового сигнала, возникающие при этом потери напряжения и мощности должны быть скомпенсированы дополнительным усилением.

Усилители напряжения

Сравнительно низкое напряжение, создаваемое источниками сигнала в системе звукоусиления, должно быть увеличено предварительным усилителем до величины, позволяющей использовать микшеры, фильтры, усилители-распределители и т.п. без существенного снижения отношения сигнал-шум. Обычно на выходе предварительного усилителя уровень сигнала составляет 0,775 В - это признанный в мире опорный уровень. Эффективное напряжение 0,775 В обеспечивает на стандартной нагрузке 600 Ом мощность 1 мВт. Уровень относительно этого напряжения (характеризующего опорное значение 1 мВт) обозначают поэтому "дБм" (дБ относительно 1 мВт). Для студийного оборудования в качестве опорного используют удвоенное значение этого напряжения. Поэтому передающие линии для этого напряжения называют "6-дБлинии". 

В усилителях напряжения (то есть предусилителях и бустерах) безваттное соединение используется для исключения частотно-зависимого затухания. Внешнее сопротивление нагрузки такого усилителя поэтому должно быть в 25 раз выше выходного сопротивления усилителя. За счет параллельных соединений это значение может быть уменьшено до 1/5, то есть R^.R = 5:1, но до того, как возникнут заметные помехи. При подключении линии с внутренней емкостью CL емкостное сопротивление l/(coCL) должно быть больше 5Л. Эти условия необходимо учитывать, например, при подключении различных усилителей мощности к одному выходу микшерного пульта. При этих условиях уровень падает на 1,6 дБ. Но если значение сопротивления нагрузки будет равно лишь удвоенному внутреннему сопротивлению усилителя, падение уровня при тех же условиях составит 3,5 дБ, что может привести к нарушению работы усилителя.

Если большее число устройств должно подключаться параллельно к одному усилителю, то есть если сопротивление нагрузки становится слишком малым, необходимо в качестве согласующего использовать буферный усилитель.

Усилители мощности

Усилители мощности могут подключаться непосредственно к предварительным усилителям. При подключении микшера и периферийного оборудования (микрофона, магнитофона, громкоговорителя) образуется наиболее простая система звукоусиления, которая может работать независимо. Такие системы называют мощными микшерами. В больших системах усилители мощности могут находиться в одном ящике с громкоговорителями или размещаться в отдельных стойках аппаратной. 

Существует два основных типа усилителей мощности. Первый тип предназначен для подключения сравнительно высокоомной сети, и его выходное напряжение поддерживается постоянным (за счет глубокой отрицательной обратной связи) до момента достижения максимальной полной мощности. Максимальное значение этого напряжения в Европе составляет 100 В (в США 70 В). В некоторых странах его уменьшают и до 50 В, чтобы снизить потенциальную опасность поражения электрическим током при случайном прикосновении.

Ко второму типу относятся усилители мощности, которые постоянно закрепляются за громкоговорителями с помощью короткой низкоомной линии. Максимально возможная мощность усилителя определяется допустимыми искажениями. Максимально допустимыми часто считают нелинейные искажения до 1%. 

В настоящее время в технике звукоусиления редко используются усилители мощностью менее 50 Вт. В 100-В оборудовании обычно применяют усилители 100...300 Вт, а для работы на низкоомную нагрузку используют усилители еще большей мощности - до 4000 Вт.

Высокоомный метод (100-В оборудование)

Благодаря пониженному внутреннему сопротивлению усилителей мощности высокоомный метод соединения позволяет подключать различные типы громкоговорителей, причем вплоть до достижения максимальной мощности их выходное напряжение не изменяется. Но для этого при подключении громкоговорителей необходимо их согласовывать с учетом нагрузочной способности усилителя мощности (100-В линии), чтобы не превышалась максимальная отдаваемая мощность. Можно применять широко распределенные сети громкоговорителей с нереактивной переменной нагрузкой Чтобы избежать перегрузки вследствие несогласованных или неправильных соединений, перед пуском системы в эксплуатацию рекомендуется проверить полное сопротивление сети громкоговорителей (обычно на частоте 1 кГц). Полное сопротивление не должно быть ниже... 

Кроме упрощения соединений 100-В техника обеспечивает передачу высокой мощности по кабелям сравнительно малого поперечного сечения. Поэтому следует всегда отдавать предпочтение широко распределенным сетям громкоговорителей. При подключении высококачественных громкоговорителей сопротивление линии не должно превышать 5% номинального полного сопротивления подключенных громкоговорителей, это поможет избежать излишних потерь мощности. Недостаток высокоомного метода соединения - необходимость в согласующих трансформаторах: их индуктивность и емкость могут ограничить передаваемый диапазон частот.

Низкоомный метод

Согласно этому методу, импедансы усилителя мощности и громкоговорителя должны быть согласованы. Это означает, что максимальная мощность усилителя передается непосредственно на громкоговоритель, если сопротивление громкоговорителя, включая сопротивление соединительной линии, равно внутреннему сопротивлению усилителя. Благодаря исключению трансформаторов достигается высокое качество передачи сигнала на высококачественные системы громкоговорителей. Значения выходного сопротивления соответствуют нормированному сопротивлению громкоговорителей: 4, 8, 12 или 16 Ом, но предпочтительным является 8 Ом. Исходя из этих условий, можно сделать вывод, что сопротивление соединительных линий громкоговорителей должно быть минимально возможным. Оно не должно превышать 10% нормированного сопротивления подключенного громкоговорителя: иными словами, 0,8 Ом для нормированного сопротивления 8 Ом. 

Кроме сопротивления соединительной линии громкоговорителя необходимо учитывать максимальную плотность тока в кабеле, поскольку низкое сопротивление громкоговорителя подразумевает высокую величину тока. Чтобы избежать излишнего нагрева кабеля, плотность тока не должна превышать G= 5... 10 А/мм2. Для кабелей большого диаметра целесообразно выбирать меньшее значение, поскольку они обладают менее эффективным теплорассеянием. При расчете по максимальной плотности тока G результирующее минимальное поперечное сечение проводов составит... Эти условия показывают, что низкоомный метод требует создания постоянных соединений громкоговорителей с усилителями. Как правило, задаются максимальная длина и минимальное поперечное сечение соединительной линии. Для большинства случаев это означает, что усилители мощности не могут устанавливаться централизованно. В больших системах их необходимо устанавливать вблизи громкоговорителей.

Защита от перегрузки

Современные усилители мощности, как правило, целиком выполнены на транзисторах. По сравнению с ламповыми усилителями, имеющими плавную характеристику искажений на пиках амплитуды, характеристика транзисторных усилителей имеет крутой изгиб, что, соответственно, приводит к резкому ограничению передаваемого сигнала, называемому клиппированием (clipping).

Такое ограничение приводит к очень сильным искажениям, которые, вследствие их неожиданного появления, хорошо заметны, и кроме того, могут стать причиной повреждения высокочастотных систем. В связи с этим системы с транзисторными усилителями мощности для высококачественных передач рассчитывают таким образом, чтобы они выдерживали кратковременные пики перемодуляции до 10 дБ. Для этого в них закладывается соответствующий запас уровня перегрузки. Это означает, что при разработке системы для получения желаемого уровня нужно закладывать в расчетные данные десятикратную мощность. Чтобы сократить высокие расходы, при расчете электрической схемы часто вводят аппроксимацию характеристики лампового усилителя. Поскольку такие цепи часто создаются как интегральные схемы в миниатюрном гибридном исполнении, усилители такого рода называют также гибридными усилителями В других конструкциях используются дополнительные регулирующие усилители, которые препятствуют появлению неожиданных искажений. Такие усилители, плавно уменьшающие усиление при появлении пиков перегрузки, называют ограничителями (лимитерами). У них сравнительно малое время срабатывания; регулирующие усилители с большими значениями постоянной времени используются для компрессии звукового сигнала. 

В усилительных установках большой мощности наряду с ограничителями применяются переключающие схемы защиты от перегрузки; если происходит перемодуляция, они значительно уменьшают выходную мощность, предупреждая таким образом повреждение громкоговорителей. Использование ограничителей может снизить опасность перемодуляции для усилителей и громкоговорителей примерно на 10 дБ, поэтому они широко используются в больших мобильных системах для рок- и поп-музыки.

Усилители с процессорами (контроллерами)

Еще один способ защиты от перегрузки - использование процессоров, встраиваемых в усилители мощности. Измерение проводится в определенной точке, например, внутри схемы усилителя, на выходе усилителя, на подвижной катушке или диффузоре громкоговорителя. Результат измерения вводится в процессор и сравнивается с входным или опорным значением. Измеряемыми параметрами могут быть уровень, увеличение температуры подвижной катушки, ход диффузора или величина искажений. Если измеренные параметры намного отличаются от предварительно определенных максимумов, уровень или частотная характеристика выходного сигнала соответствующим образом корректируются до восстановления правильного рабочего значения. 

Эти процессоры лучше всего применять для прямого сопряжения усилителя мощности и громкоговорителя. При использовании активных кроссоверов, то есть кроссоверов, установленных перед усилителем мощности, процессоры тоже могут влиять на перераспределение энергии между различными частотными диапазонами.

Такие системы делают возможным достижение сравнительно высоких коэффициентов использования усилителей. Однако их действие может сопровождаться компрессией выходного сигнала, а это не всегда приемлемо с художественной точки зрения. 

Сегодня все большее распространение получает процессорное управление усилителями с помощью внешних компьютеров, что делает возможным предварительное программирование.

Кроссоверы

Чтобы избежать нежелательной интерференции и перегрузки в высокочастотных системах в области перекрытия частотных полос громкоговорителей, перед громкоговорителями устанавливают фильтры, имеющие крутизну характеристики 6, 12, 18 или 24 дБ/октава. В хороших многополосных громкоговорителях ставятся фильтры с крутизной склонов не менее 12 дБ/октава. 

  Если усилители мощности предназначены для громкоговорителей, работающих в разных частотных диапазонах, кроссоверы должны устанавливаться перед усилителями мощности. Это обеспечивает выполнение конкретных требований к уровням между громкоговорителями, причем импеданс громкоговорителей не влияет на кроссовер. Такие кроссоверы называют активными кроссоверами, они позволяют оптимизировать ограничители, усилители и защиту от перегрузки для каждого частотного диапазона. Разделение общего частотного диапазона с выбором разных значений времени срабатывания и пороговых уровней делает процессы управления менее заметными для слушателя. 

  Пассивные кроссоверы используются в основном для громкоговорителей, помещенных в один общий корпус, и являются составной частью системы громкоговорителей, они могут быть оптимизированы самим производителем

Технические оборудование для систем управления звуком

Важная задача современной техники звукоусиления - акустическое покрытие площади больших культурных центров (например, драматических и оперных театров, концертных и спортивных залов). Для каждого из этих центров требуется определенный комплект собственного оборудования, который зависит от размера и статуса зала. В этой главе рассматриваются типы используемых технических средств, представленные на структурной схеме системы

Распределитель входных сигналов

Распределитель входных сигналов (коммутационная панель) требуется для работы с большим числом линий от источников сигналов больших систем, поскольку постоянное подключение к входам микшерного пульта не оправдано экономически и затрудняет мониторинг и управление.  Источники подключаются к входам микшерного пульта (или пультов) через распределительную панель заранее, до начала любого события (в ряде случаев и во время события). В больших системах часто должна предусматриваться возможность работы более чем со 100 микрофонными линиями. Только небольшое число линий должно иметь прямое соединение с микшерными пультами. 

В состав стойки, содержащей входную распределительную панель, часто входят блоки питания конденсаторных микрофонов. 

Если микрофоны предполагается использовать для радио- и телевизионных трансляций или если поступающие с микрофонов сигналы предназначены для озвучивания других частей здания, применяют усилители-распределители. В большинстве случаев они распределяют сигнал низкого уровня максимум для четырех пользователей. Число микрофонных усилителей-распределителей, а иногда и распределительных трансформаторов, зависит от числа микрофонов, используемых во время представлений. Обычно их бывает от 20 до 30, но порой может быть и до 60. 

Выходы всех передающих линий и звукозаписывающих устройств (кроме микрофонных линий) подводятся к входной распределительной панели. В определенных случаях (для микшеров с переключаемыми входами) некоторые студийные магнитофоны, а также часто используемые микрофоны подключаются к микшерным пультам непосредственно. Входная распределительная (коммутационная) панель нередко дополняется произвольно подключаемыми микрофонными фильтрами или частотными корректорами для устранения искажений тембра или положительной обратной связи в цепях некоторых микрофонов перед подачей их сигналов на микшерный пульт, поэтому если сигналы во время представления перераспределяются, не потребуется изменять подключение фильтров. 

В связи с большим числом источников звука входные распределительные панели часто выполняются в виде шнуровых коммутационных панелей.

В настоящее время используются многокаскадные цепи коммутации и распределения цифровых сигналов с компьютерным управлением. Для коммутации часто используемых источников (например, в театрах) применяют все чаще шинные группы и параллельные или матричные коммутаторы.