Санкт-Петербургский государственный институт кино и

Федеральное агентство по культуре и кинематографии
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ТЕЛЕВИДЕНИЯ»
Кафедра акустики
АКУСТИКА, ч. 1
( «ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА»)
Составитель: Ш.Я. ВАХИТОВ
Методическое пособие
по выполнению контрольной работы
для студентов заочного отделения
специальности 210312 (201400)
«Аудиовизуальная техника»
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2010
КИНО И
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «АКУСТИКА» состоит из двух самостоятельных курсов –
АКУСТИКА, ч. 1 («Электроакустическая аппаратура» – ЭАА) и
АКУСТИКА, ч. 2 («Акустика зрелищных и студийных помещений» –
АЗиСП), обеспечивающих профессиональную подготовку студентов в
аудиотехнической части специальности 210312 (201400). Данное пособие
посвящено курсу ЭАА.
ЦЕЛЬ преподавания курса ЭАА – приобретение студентами базовых
знаний по устройству, принципам построения, методам анализа, расчета и
применения различных видов электроакустических аппаратов (микрофонов,
громкоговорителей и телефонов), используемых в процессах звукопередачи и
записи звука в кино и телевидении, системах озвучения и звукоусиления;
ЗАДАЧИ преподавания дисциплины – привитие студентам умения и
навыков расчета, проектирования и эксплуатации электроакустической
аппаратуры.
В соответствии с указанными целями и задачами в результате изучения
курсов ЭАА студенты должны
ЗНАТЬ:
1. Принципы построения, основы теории и свойства электромеханических
преобразователей.
2. Основы теории излучения и приема звука. Свойства и характеристики
акустических антенн.
3. Устройство,
принцип действия,
типовые конструкции,
эксплуатационные разновидности, основные параметры и условия
применения микрофонов, громкоговорителей и телефонов.
4. Основы теории, системного (комплексного) анализа и расчета
электроакустических аппаратов.
5. Методы защиты микрофонов и микрофонных цепей оп помех.
УМЕТЬ:
1. Формулировать
и
грамотно
обосновывать
требования
к
характеристикам микрофонов, громкоговорителей и телефонов в
зависимости от их назначения и условий применения.
2. Производить расчеты и комплексный анализ основных параметров и
характеристик микрофонов и громкоговорителей.
3. Производить проектирование громкоговорителей с различным
акустическим оформлением.
1. Объем и содержание дисциплины, виды учебной работы
Курс ЭАА изучается на 5 и 4У курсах З.О.
Вид занятий
5 курс
4У курс
Общая трудоемкость
Аудиторные занятия:
Лекции
Практические занятия (ПР)
Курсовой проект (КП)
Лабораторные работы (ЛР)
Контрольные работы
Самостоятельная работа
Вид итогового контроля
68
16
8
0
24*/
8
8*/
52
Теоретич. зачет
Защита КП .
68
16
8
0
24*/
8
8*/
52
Теоретич. зачет
Защита КП .
*/ Примечание: за счет часов самостоятельной работы.
Содержание разделов дисциплины
Тема 1. Звуковой тракт и электромеханические преобразователи
1. Звуковой тракт. Цель, задачи, основные понятия курса. Первичное и
вторичное звуковые поля. Звуковой тракт (ЗТ), его основные элементы,
разновидности ЗТ:
звукозаписи, трансляции звука, звукоусиления,
звуковоспроизведения. Средний уровень и пик-фактор сигнала,
динамический диапазон. Помехи, шумы, искажения сигналов, нарушения
точности передачи звука. Место и значение ЭАА в ЗТ.
2. Классификация, общие сведения, преобразователь как четырехполюсник.
Физическая природа преобразования механических
колебаний в
электрические и обратно. Понятие о коэффициенте электромеханической
связи. Классификация.
3. Электродинамические преобразователи.
Принцип и физическая природа преобразования. Устройство, основные
физические законы, коэффициент электромеханической связи.
4. Электростатические преобразователи .
Принцип и физическая природа преобразования. Устройство и коэффициент
электромеханической связи преобразователей с внешней и внутренней
(электретной) поляризацией.
Тема 2. Динамические и конденсаторные микрофоны
1. Общие сведения, классификация, основные параметры.
Назначение, структура. Чувствительность как совокупный результат
парциальных
характеристик
звеньев
микрофона.
Основные
классификационные признаки, типы микрофонов. Основные параметры, как
критерии выбора микрофонов.
2. Микрофон, как приемник звука; акустические характеристики.
Физические явления при взаимодействии приемника со звуковым полем,
коэффициенты дифракции. Основные типы приемных антенн: приемник
звукового давления, симметричный и несимметричный приемники разности
(градиента) давлений. Основные типы характеристик направленности, их
аналитические модели, реализация, применение в различных акустических
условиях (звукозапись, звукоусиление, связь).
3. Ненаправленный конденсаторный микрофон.
Устройство, основные элементы. Роль предусилителя в конденсаторных
микрофонах. Электрическая схема включения, назначение и основные
параметры, особенности.
4. Однонаправленные динамический и конденсаторный микрофоны.
Устройство, основные элементы.
Электрическая схема включения,
назначение и особенности. Понятие о частотно-пространственной
характеристике чувствительности (ЧПХЧ) в области низких и средних
частот.
5. Двусторонне направленный ленточный динамический микрофон.
Устройство, основные элементы.
Электрическая схема включения,
назначение и основные параметры, особенности.
6. Комбинированные микрофоны.
Электрически комбинированные микрофоны.
Электрические схемы
включения, назначение и основные параметры, особенности. Акустически
комбинированные
(двухмембранные) конденсаторные микрофоны.
Устройство, электрические схемы, основные элементы, назначение и
основные параметры, особенности.
7. Остронаправленные микрофоны.
Основные типы остронаправленных микрофонов. Остронаправленный
микрофон интерференционного типа. Устройство, принцип действия,
основные элементы, назначение и основные параметры, особенности.
8. Шумы и помехи в микрофонах, способы их уменьшения.
Классификация микрофонных шумов. Физическая природа собственных,
наводимых и внешних шумов. Схемные и конструктивные методы снижения
воздействия помех на микрофоны и микрофонные цепи. Сравнительная
характеристика динамических и конденсаторных микрофонов в различных
акустических условиях.
9. Радиомикрофоны.
Основные понятия о радиомикрофонах, их достоинствах и недостатках.
Тема 3. Динамические громкоговорители
1. Общие сведения, классификация, основные параметры.
Назначение,
основные
классификационные
признаки,
типы
громкоговорителей. Основные параметры и характеристики.
2. Устройство диффузорной головки громкоговорителя (ГГ).
Устройство, основные
элементы. Диффузор, его форма, особенности
колебаний на НЧ и ВЧ, влияние на ЧХ.
3. Роль и типы акустического оформления.
Взаимодействие излучателя со средой, сопротивление излучения.
Конструкции внешнего оформления, их назначение и принцип действия в
открытом,
закрытом
и
фазоинверсном
оформлении.
Частотная
характеристика
звукового
давления
(ЧХЗД),
характеристическая
чувствительность и ее уровень. Конструктивные параметры, определяющие
направленность ГГ и верхнюю границу ее эффективного излучения.
4. Групповые излучатели.
Акустические системы, контрольные агрегаты (звуковые мониторы),
звуковые колонки, линейные массивы, радиальные громкоговорители,
акустические люстры. Особенности применения различных типов групповых
излучателей в системах озвучения, звукоусиления и телеконференцсвязи.
5. Устройство рупорных громкоговорителей (РГ).
Назначение и формы рупоров. Широкогорлые и нормальные РГ. Устройство
нормального РГ.
Связь акустических характеристик рупора с его
геометрическими размерами. Устройство и особенности работы
предрупорной камеры. Направленность РГ и методы ее расширения.
6. Нелинейные искажения в динамических громкоговорителях.
Основные физические причины нелинейных искажений в громкоговорителях
прямого излучения. Интермодуляционные, доплеровские, параметрические
искажения. Основные причины нелинейных искажений в РГ.
Виды занятий по курсу «Электроакустическая аппаратура» , 5 и 4у курс
Разделы
дисциплины
Число часов по видам занятий
лекции Лаборат. Самост.
работы
работа
и
3
8
Тема
1.
Звуковой
тракт
электромеханические преобразователи
Тема 2. Динамические и конденсаторные
микрофоны
Тема 3. Громкоговорители
Итого:
0
4
16
5
4
28
8
8
52
Курсовой проект
Проект по курсу «Электроакустическая аппаратура», 5 и 4У курсы З.О.
Тема: «Кинотеатральный громкоговоритель» или «Звуковая колонка».
Содержание: а) три чертежа формата А1: сборочный – головки, сборочный –
акустической системы с головками, деталировочный – головки; б)
пояснительная записка с расчетами и обоснованиями проектных решений
(объемом 30-40 стр.).
Общая трудоемкость – 24 часа (из выделяемых на самостоятельную работу).
Лабораторный практикум «Электроакустическая аппаратура»
В курсе Акустика ч.1 предусмотрены учебным планом следующие
лабораторные работы, две из которых (по указанию преподавателя)
выполняют обучающиеся на заочном отделении:
1. Лабораторная работа №7 «Исследование характеристик и параметров
электродинамических громкоговорителей методом измерения полного
электрического сопротивления»
2. Лабораторная работа №11 «Исследование направленности звуковых
колонок»
3. Лабораторная
работа
№12
«Исследование
многополосной
акустической системы»
4. Лабораторная работа №13 «Исследование головных телефонов»
5. Лабораторная работа №14 «Исследование частотной характеристики
чувствительности микрофонов»
6. Лабораторная работа №17 «Исследование направленности
микрофонов»
7. Лабораторная работа № 18 «Градуировка микрофонов с помощью
обратимого преобразователя в открытом пространстве (методом
взаимности)»
2. Требования к выполнению контрольной работы
Данный курс изучается студентами заочного отделения после
аттестации по дисциплине «Теоретические основы акустики» (ТОА), которая
дает базовые знания и понятия для всех дальнейших акустических курсов.
Поэтому студенты, не аттестованные по ТОА, не могут быть допущены к
аттестации (зачету или экзамену) по дисциплине «Акустика, ч.1».
Выполнение контрольной работы по дисциплине «Акустика, ч.1» также
является необходимым этапом для допуска к аттестации. Во-первых, во
время выполнения контрольной работы самостоятельно прорабатывается
часть вопросов, выносимых на экзамен (или теоретический зачет), во-вторых,
решаются прикладные задачи, что позволяет получить навык применения
теоретических знаний по предмету.
Контрольная работа выполняется обязательно в рукописном виде в
ученической тетради или на стандартных листах, подшиваемых затем в
прозрачную папку. Ответы на контрольные вопросы должны быть краткими,
но конкретными и достаточно аргументированными, при необходимости
поясняться рисунками.
При оформлении решения задач, должно полностью приводиться ее
условие с числовыми значениями. При необходимости решение ряда задач
также должно сопровождаться рисунком (схемой размещения источников
звука и др.). Каждый этап решения поясняется словами, аргументируется.
Числовые результаты следует представлять в нормализованном виде с
точностью до второго знака после запятой, результаты в дБ – с точностью до
одного знака после запятой.
3. Контрольные вопросы
Контрольные вопросы выбираются студентом по последнему номеру его
зачетной книжки, соответственно с четными или нечетными номерами. Ряд
вопросов по указанию ведущего курс преподавателя для студентов З.О.
может быть исключен из контрольной.
Тема 1. Звуковой тракт и электромеханические преобразователи .
Рекомендуемая литература [1, 2, 4]
1. Что такое звуковой тракт (ЗТ)? Перечислите его основные элементы. Какие
разновидности ЗТ вы знаете?
2. Перечислите основные характеристики ЗТ.
3. Что такое первичный и вторичный сигнал? Какие бывают нарушения
точности звукопередачи и чем они обусловлены?
4. Какие бывают виды искажений сигналов? Каковы их причины?
5. Перечислите виды линейных искажений, их основные характеристики. Есть
ли связь между ними?
6. Перечислите типы и причины нелинейных искажений и методы их
измерений.
7. Что такое уровни интенсивности и звукового давления. Что принимают за
«нулевой» уровень звукового давления в акустическом поле и напряжения в ЗТ?
Чем это обусловлено?
8. Что такое средний уровень сигналов и пик-фактор сигналов, особенности их
измерений? Что такое динамический диапазон сигнала? Что его определяет?
9. Как должны соотноситься динамические диапазоны сигнала и ЗТ? Как
решается эта проблема?
10. Что такое Электромеханический преобразователь (ЭМП)? По каким
признакам классифицируют ЭМП?
11. Что такое коэффициент электромеханической
связи (КЭМС)?
Отношением каких величин определяются КЭМСы преобразователей
двигателей и генераторов? Покажите, что они имеют одинаковую
размерность.
12. Электродинамический преобразователь – двигатель (пример устройства,
вывод соотношений для КЭМС и полного входного электрического
сопротивления, применение).
13. Электродинамический преобразователь – генератор (устройство,
применение, вывод соотношений для КЭМС и полного механического
сопротивления).
14. Как устроен электростатический преобразователь –генератор с внешней
поляризацией? Вывести соотношения для КЭМС.
15. Что такое электрет? Как устроен электретный электростатический
преобразователь? Каковы особенности его применения?
Тема 2. Микрофоны.
Рекомендуемая литература [1, 2, 4 - 7]
16. Что такое микрофон? Какова его функционально-системная структура?
17. Что такое чувствительность и частотная характеристика
чувствительности микрофона (ЧХЧ) в общем виде?
18. Какие основные типы приемников звука вы знаете? Какие
характеристики микрофонов определяются типом приемника?
19. Что такое характеристика и коэффициент направленности? Назовите
основные типы характеристик направленности (ХН) и объясните как они
реализуются.
20. Что такое эффект ближней зоны? Как он влияет на характеристики
различных типов приемников звука и преимущественно в каком частотном
диапазоне?
21. Какое явление имеет место в диапазоне высоких частот при
взаимодействии звуковой волны и микрофона? На каких параметрах
микрофона это отражается?
22. Как устроен двусторонне направленный ленточный микрофон? Как
формируется его ЧХЧ и ХН?
23. Как устроен однонаправленный динамический катушечный микрофон?
Как формируется его ЧХЧ и ХН?
24. Как устроен ненаправленный конденсаторный микрофон? Как
формируется его ЧХЧ и ХН?
25. Какова роль предусилителя в конденсаторных микрофонах?
26. Для чего нужен источник внешнего напряжения в конденсаторных
микрофонах?
27. Нужен ли источник внешнего напряжения в электретных конденсаторных
микрофонах? Если нужен, то для чего?
28. Как устроен однонаправленный конденсаторный микрофон с одной
мембраной? Как формируется его ЧХЧ и ХН?
29. Как устроены электрически комбинированные микрофоны? Как
формируются их ХН?
30. Как устроен двухмембранный конденсаторный (акустически
комбинированный) микрофон? Как формируются его ЧХЧ и ХН?
31. Что такое остронаправленные микрофоны? Какие их типы вы знаете?
32. Объясните принцип работы и устройства остронаправленных
микрофонов интерференционного типа. Каковы их особенности?
33. Назовите основные параметры микрофонов, определяющие их
частотный и динамический диапазон.
34. Назовите основные параметры микрофонов, определяющие
соотношение сигнал-шум в звуковом тракте и на его входе (в
акустическом поле).
35. Расскажите о классификации микрофонных шумов и помех. Что такое
внутренние шумы и чем они определяются?
36. Что такое наводимые шумы и как от них защищают микрофоны?
37. Что такое вибрационный и ветровой шум и как от них защищают
микрофоны?
38. Что такое радиомикрофоны? Каковы их достоинства и недостатки по
сравнению с проводными микрофонами?
Тема 4. Громкоговорители.
Рекомендуемая литература [1, 3, 4, 6, 7]
39. Что такое громкоговоритель ( ГГ)? По каким признакам классифицируют
громкоговорители?
40. Назовите основные параметры ГГ, типы электрических мощностей.
41. Расскажите об устройстве диффузорной головки ГГ прямого излучения.
42.Для чего нужно акустического оформления ГГ? Какие типы акустического
оформления ГГ вы знаете?
43. Как и почему изменяются эквивалентные схемы в зависимости от типа
оформления ГГ?
44. Назовите основные физические причины нелинейных искажений в ГГ
прямого излучения, методы их измерений.
45. Что такое акустические системы, контрольные агрегаты (мониторы)?
Каково их устройство?
46. Что такое и как устроены звуковые колонки? Каковы их основные
особенности? Какие еще типы групповых излучателей вы знаете?
47. Как устроены и для чего нужны рупорные громкоговорители (РГД)?
Каковы основные их преимущества и недостатки?
48. Назовите основные физические причины нелинейных искажений в
рупорных громкоговорителях, методы их измерений.
ПРИМЕЧАНИЕ: План ответа (примерный) на вопросы,
связанные с конкретными типами аппаратуры:
назначение, устройство, эквивалентная схема, основные
управляющие элементы, электрическая схема включения,
особенности.
ЗАДАЧИ
Номера задач выбираются студентом по предпоследнему и последнему
номеру его зачетной книжки. Т. е. всего необходимо выбрать две задачи.
Например - № 06, значит следует выбрать задачи № 10 и № 6.
ЗАДАЧА 1.
Дан кардиоидный микрофон (МФ), которым требуется записать
одновременно 2 музыкальных инструмента. Средняя величина звукового
давления, создаваемого первым на расстоянии 1 м. –0.5 Па, вторым – в 3 раза
больше. Пик-фактор обоих источников 10 дБ. Уровень шума в помещении 40
дБ. Расстояние от МФ до инструментов и между инструментами д.б. не
менее 1м.
А) Как нужно расположить инструменты относительно МФ, чтобы
выходные сигналы , создаваемые каждым инструментом на выходе МФ были
равны по величине, а их динамический диапазон был максимален?
Б) Каков будет этот динамический диапазон?
ЗАДАЧА 2.
Дан кардиоидный конденсаторный МФ. Его чувствительность 12,5
мВ/Па, величина напряжения собственного шума приведенного ко входу
МФ 5 мкВ, уровень шума в помещении 60 дБ, средняя величина полезного
звукового сигнала (речи) 0,2 Па, пик-фактор 12 дБ.
Определить динамический диапазон полезного сигнала. Какой тип
шума определяет нижнюю границу динамического диапазона
ЗАДАЧА 3.
Определить электрическую емкость, уровень и напряжение собственного
шума ненаправленного конденсаторного микрофона с чувствительностью
капсюля 10 мВ/Па. Известно также, что емкостное сопротивление его
капсюля и входное сопротивление предусилителя на нижней граничной
частоте 20 Гц равны 0,5 гОм, верхняя граничная частота 20000 Гц.
Какова величина спада ЧХЧ на 20 Гц по сравнению с 1000 Гц (дБ) в
этом микрофоне?
ЗАДАЧА 4.
Дан громкоговоритель прямого излучения в закрытом оформлении (ящике).
Площадь его диффузора S1, гибкость подвеса головки с1 равна гибкости
объема его оформления сv , масса подвижной системы m1, , частота
механического резонанса fм , характеристическая чувствительность Ехч .
Определить, как изменится уровень характеристической чувствительности
громкоговорителя и частота его механического резонанса, если в ящик того
же объема поместить головку, отличающуюся тем, что диаметр ее диффузора
и масса подвижной системы вдвое больше, чем у первоначальной? На какие
еще параметры и как такое изменение повлияет?
ЗАДАЧА 5.
Известно, что уровень характеристической чувствительности
громкоговорителя прямого излучения в закрытом оформлении 91 дБ, его
электрическая номинальная мощность 25 Вт. Определить величину звукового
давления при номинальной мощности на расстоянии 5 м.
ЗАДАЧА 6.
Дан громкоговоритель прямого излучения с закрытым оформлением
(ящиком). Площадь его диффузора S1, гибкость подвеса головки с1 равна
гибкости объема его оформления сv , масса подвижной системы m1, , частота
механического резонанса fм , характеристическая чувствительность Ехч .
В ящик того же объема поместили головку, отличающуюся тем, что
диаметр ее диффузора вдвое больше, чем у первоначальной. Какую массу
подвижной системы должна иметь эта головка, чтобы fм осталась прежней?
Как
при
этом
изменится
характеристическая
чувствительность
громкоговорителя?
ЗАДАЧА 7.
Дан громкоговоритель прямого излучения с закрытым оформлением
(ящиком). Площадь его диффузора S1, гибкость подвеса головки с1 равна
гибкости объема его оформления сv , масса подвижной системы m1, частота
механического резонанса fм , характеристическая чувствительность Ехч .
В ящик того же объема поместили головку, отличающуюся тем, что
диаметр ее диффузора вдвое больше, чем у первоначальной. Какую массу
подвижной системы должна иметь эта головка, чтобы характеристическая
чувствительность осталась прежней? Как при этом изменится частота
механического резонанса громкоговорителя? На какие параметры это
повлияет?
ЗАДАЧА 8.
Дана двухполосная акустическая система: НЧ звено – головка прямого
излучения, ВЧ – рупорная. Входные электрические сопротивления обеих
головок равны. Уровень характеристической чувствительности головки
прямого излучения 90 дБ, рупорной – 104 дБ. Известно, что номинальная
электрическая мощность рупорной головки – 10 Вт. Какова должна быть
номинальная мощность НЧ головки, чтобы величины осевого звукового
давления (при одинаковом расстоянии) излучаемого головками (в разном
диапазоне частот) при номинальной мощности были равны.
ЗАДАЧА 9.
Дана двухполосная акустическая система (АС): НЧ звено – звуковая
колонка, состоящая из 4 головок прямого излучения, ВЧ – рупорная.
Входные электрические сопротивления всех головок равны. Уровень
характеристической чувствительности одной головки прямого излучения 88
дБ, рупорной – 100 дБ. Известно, что номинальная электрическая мощность
рупорной головки – 16 Вт. Какова должна быть номинальная мощность
каждой из НЧ головок прямого излучения, чтобы величина осевого звукового
давления излучаемого АС на НЧ и ВЧ при номинальной мощности головок
была одинакова равны.
ЗАДАЧА 10.
Дан громкоговоритель прямого излучения с закрытым оформлением
(ящиком). Известно, что уровень его характеристической чувствительности
Nхч= 94 дБ. Определить каков его электроакустический КПД в %.
5. Литература
А) Основная:
1.
Ш.Я. Вахитов, Ю.А. Ковалгин, А.А. Фадеев, Ю.П. Щевьев.
АКУСТИКА.
Учебник для ВУЗов РФ , 660 с., М., учебник. Горячая линия – Телеком, 2009.
2.
Вахитов Ш.Я., Вахитов Я.Ш. Электромеханические преобразователи и
динамические микрофоны. - СПб.: Изд. СПбГУКиТ, уч. пособие, 2004, 132с.
3.
Вахитов Я.Ш., Смирнова Н.А. Расчет и проектирование
кинотеатральных громкоговорителей. Вып.1. Низкочастотный
громкоговоритель. - СПб: СПбГУКиТ, 2000 г. (уч. пособие по курсовому и
дипломному проектированию), 63с..
Б) Дополнительная:
4.
Вахитов
Я.Ш.
Теоретические
основы
электроакустики
и
электроакустическая аппаратура – М.: Искусство, 1982, 415с.
5.
Вахитов Ш.Я. Современные микрофоны. Теория, проектирование. СПб.: Изд. СПбГУКиТ, 2003, 396с.
6.
Вахитов Ш.Я., Остроухов И.Н. Учебное пособие по выполнению
лабораторных работ по дисциплине Акустика ч.1 (Электроакустическая
аппаратура). Изд. СПбГУКиТ, 2010, 62 с.
7.
Вахитов Ш.Я., Вахитов Я.Ш. Микрофоны, телефоны, гарнитуры.: Изд.
СПбГУКиТ, 2010, 260 с., монография.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение…………….…………………………………………………..…...3
1. Объем и содержание дисциплины, виды учебной работы……….....4
2. Требования к выполнению контрольной работы……………………7
3. Контрольные вопросы…………………………………………………7
4. Задача…………………………………………………………………….10
5. Литература……………………………………………………………….13
Содержание…………………………………………………………………14