Большинство слуховых восприятий субъективно. Так, люди обладают способностью воспринимать звуковые колебания в очень широких диапазонах частот и интенсивностей. Однако степень точности, с которой каждый человек может определить высоту звука (частоту звуковых колебаний) на слух, зависит от остроты, музыкальности и тренированности слуха. Кроме этого, высота звука в какой-то степени зависит от его интенсивности (при больших уровнях звука): звуки большей интенсивности на слух кажутся ниже, чем слабые. Помимо этого, чувствительность человеческого уха к различным по частоте звуковым колебаниям неодинакова, и наибольшая его чувствительность лежит в области частот от 3000 до 5000 Гц. 

 Другое слуховое восприятие - громкость является субъективной оценкой силы звука. Но громкость зависит не только от интенсивности звука (звукового давления), но еще и от частоты. Субъективное восприятие громкости в зависимости от силы звука подчиняется основному психофизиологическому закону, который устанавливает, что громкость звука растет не пропорционально интенсивности звука, а пропорционально логарифму интенсивности звука, в связи с чем интенсивность звука выражают в логарифмических единицах - децибелах. Кроме этого, из-за неодинаковой чувствительности уха к различным частотам два звука одинаковой интенсивности, но разной частоты воспринимаются на слух с разной громкостью. Зависимость слухового восприятия громкости на различных частотах определяют по кривым равной громкости.

 Наконец, очень важная особенность нормального слуха человека заключается в способности определять направление на источник звука. Это свойство слуха получило название биноурального (двуушного) эффекта и позволяет воспринимать пространственное размещение источника звука. 

 Настало время приоткрыть окошко в мир техники. Сейчас нам придется познакомиться с прозаическими, но необходимыми понятиями, называемыми терминами и параметрами, без которых не может обойтись ни одна область науки и техники. Они - термины и параметры - не только определяют изделие или устройство, но и характеризуют его работу, состояние или назначение, позволяют сравнивать между собой однотипные изделия, подчеркивают их качества, что очень важно для достижения определенных результатов. Поэтому и мы не можем обойтись без них, ибо знание физической сущности параметров поможет вам в дальнейшей практической деятельности с магнитофоном для достижения записей высокого качества. 

 Ни одна звукозаписывающая и звуковоспроизводящая аппаратура не мыслима без акустических (звуковых) преобразователей. Существуют два вида акустических преобразователей. Один из них, преобразующий акустические колебания в колебания электрического тока, называется микрофоном, а другой, который, наоборот, преобразует электрические колебания звуковой частоты в механические (звуковые), называется громкоговорителем. Оба эти акустические преобразователи используются в работе с магнитофоном, и поэтому мы подробно познакомим вас с ними. 

Рис. 8. Динамический микрофон (показан в разрезе) состоит из мембраны 1, кольцевого магнита 2, полюсных наконечников 3, образующих воздушный зазор 4, в котором движется звуковая катушка 5.

 По принципу механоэлектрического преобразования микрофоны подразделяют на индукционные (электродинамические), электростатические (конденсаторные), пьезоэлектрические и др. В бытовой аппаратуре магнитной записи звука почти исключительно применяют электродинамические катушечные микрофоны. В этом типе микрофонов используют явление индукции в проводнике, движущемся в магнитном поле. Устройство электродинамического микрофона с подвижной катушкой показано на рис. 8. Его основная часть - сферическая мембрана - колеблется под воздействием звуковых волн. К мембране жестко прикреплена катушка из очень тонкого провода диаметром всего 0,02 - 0,05 мм. Эта катушка расположена в кольцевом воздушном зазоре очень сильного постоянного магнита. При движении катушки в кольцевом зазоре магнита (а движения эти передаются катушке мембраной) ее витки пересекают магнитные силовые линии поперек направления магнитного поля, и в них возникает электродвижущая сила индукции (э.д.с. индукции). Так как электродвижущая сила, возникающая в катушке, невелика и обычно не превышает нескольких десятых долей микровольта, микрофон подключают к аппаратуре при помощи специального экранированного кабеля, ослабляющего воздействие внешних магнитных полей (наводок).

 Как каждое технически сложное изделие имеет свои параметры, регламентирующие его свойства, так и работа микрофона характеризуется рядом параметров, знание которых помогает судить о его пригодности для конкретной работы, правильно использовать и выбирать тот или иной тип микрофона в зависимости от вида или характера записи. Однако не все параметры микрофона имеют для нас с вами практическое значение, и мы познакомимся лишь с теми из них, которые непосредственно влияют на работу магнитофона и от которых зависит качество производимых вами записей. К числу таких параметров относятся: номинальное сопротивление нагрузки, чувствительность, частотная характеристика и характеристика направленности. 

 Номинальное сопротивление нагрузки - это то сопротивление, измеренное в омах (Ом), на которое должен быть нагружен микрофон и при котором рассчитываются и измеряются все его параметры. Для максимальной отдачи (по мощности) номинальное сопротивление нагрузки должно быть равно полному внутреннему сопротивлению микрофопа. 

 По величине номинального сопротивления нагрузки микрофоны для любительской звукозаписи разделяют на низкоомные и высокоомные. Первые предназначены для работы с магнитофонами, электрическая схема которых построена на транзисторах, а вторые - для магнитофонов, в усилителе которых использованы радиолампы. Так как катушка микрофона имеет всего небольшое сопротивление (порядка нескольких сотен Ом), то в состав высокоомного микрофона включают специальный симметричный согласующий трансформатор. Профессиональные микрофоны бывают только низкоомными. 

 Чувствительность показывает отношение величины напряжения, развиваемого микрофоном на сопротивлении, равном поминальному сопротивлению нагрузки, к величине звукового давления, воздействующего на его мембрану. Чувствительность измеряют в милливольтах на паскаль (мВ/Па) или, что аналогично, на ньютон на квадратный метр (мВ х м²/Н). 

 Наибольшая чувствительность микрофона, измеренная при падении синусоидальной звуковой волны по направлению его акустической (рабочей) оси, называется осевой чувствительностью. Обычно микрофоны имеют симметричную конструкцию, и тогда ось симметрии микрофона совпадает с его акустической осью. 

 Чувствительность микрофона с согласующим трансформатором определяют как напряжение на нагруженной вторичной обмотке трансформатора к величине звукового давления. 

 Для профессиональных микрофонов в паспорте указывают стандартный уровень чувствительности в децибелах (дБ). 

 Чувствительность всех микрофонов определяют на частоте 1000 Гц. Для электродинамических низкоомных микрофонов она колеблется от 0,5 до 2 мВ/Па, а в высокоомных микрофонах ее делают равной 15 - 20 мВ/Па. 

 Частотная характеристика показывает зависимость чувствительности микрофона от частоты звуковой волны, воздействующей на его мембрану. Обычно частотную характеристику микрофона изображают графически в определенном (номинальном или рабочем) диапазоне звуковых частот. При этом за неравномерность частотной характеристики принимают отношение максимального значения чувствительности к минимальному значению, выраженное в децибелах. Иногда в паспортных данных на микрофон указывают среднюю чувствительность, вычисленную как среднее арифметическое из значений осевой чувствительности на определенных частотах в пределах номинального диапазона звуковых частот. 

 Частотная характеристика электродинамических микрофонов обычно лежит в пределах от 50 - 100 до 10 000 - 15 000 Гц при неравномерности 8 - 12 дБ. Высокоомные микрофоны, предназначенные для комплектации бытовых магнитофонов, иногда имеют неравномерность частотной характеристики до 20 дБ. 

 Равномерность частотной характеристики микрофона достигается за счет тщательной разработки всех элементов его конструкции. Некоторое повышение неравномерности частотной характеристики у высокоомных микрофонов объясняется наличием согласующего трансформатора, при малых габаритах которого не всегда удается сделать его широкополосным, то есть одинаково равномерно передающим все частоты рабо-чего диапазона частот. 

 Характеристика направленности показывает зависимость чувствительности микрофона на данной частоте от угла между его акустической осью и направлением на источник звука. Характеристику направленности либо изображают графически (в полярных координатах), либо указывают отношение фронтальной чувствительности к тыловой (отношение фронт-тыл), выраженное в децибелах. 

 Характеристика направленности микрофона зависит от устройства его звукоприемной части. В зависимости от этого различают микрофоны давления и микрофоны градиента давления (или скорости). К первым относят микрофоны, подвижная система которых (мембрана) открыта для звуковых волн только с одной стороны. Такие микрофоны не обладают ярко выраженной направленностью, то есть их характеристика направленности имеет вид, приближающийся к окружности. Правда, когда размеры микрофона становятся соизмеримыми с длиной звуковой волны, характеристика направленности из-за дифракции (отклонения от прямолинейного распространения) звуковых волн несколько вытягивается. 

 Ко вторым относят микрофоны, подвижная система которых открыта для звуковых волн как с фронта, так и с тыла. Поэтому микрофоны градиента давления реагируют на разность звуковых давлений, возникающих по обе стороны подвижной системы, а их характеристика направленности напоминает по внешнему виду восьмерку (косинусоиду). 

 Громкоговорители, как и микрофоны, по принципу преобразования могут быть электродинамическими, электростатическими, пьезоэлектрическими, электромагнитными и др. Наибольшее распространение получили электродинамические громкоговорители прямого излучения, широко применяемые в различной звуковоспроизводящей бытовой аппаратуре.

 В электродинамическом громкоговорителе хотя и используется тот же принцип электродинамической индукции в проводнике, находящемся в магнитном поле, что и в микрофоне, но принцип его работы противоположен микрофону и заключается в следующем. Если в магнитном поле поместить проводник и пропустить через него электрический ток, то на проводник будет воздействовать сила, стремящаяся вытолкнуть его из зоны действия магнитного поля в направлении, перпендикулярном силовым линиям магнитного поля и направлению тока. Это положение вы изучали на уроках физики, а приведенный выше механизм работы известен вам как «правило левой руки». 

 Электродинамический громкоговоритель, как и микрофон, имеет мембрану, но называется она диффузором. К диффузору жестко прикреплена звуковая катушка, находящаяся в магнитном поле. При подведении к этой катушке переменного тока звуковой частоты она начинает совершать аксиальные (осевые) колебания в такт со звуковой частотой. Эти колебания передадутся диффузору, и он возбуждает в окружающем пространстве звуковые волны, воспринимаемые нашим ухом как звуки тех частот, которые были в составе подведенного к громкоговорителю переменного напряжения звуковой частоты. 

 Параметры, характеризующие работу громкоговорителя, несколько отличаются от параметров микрофона. Для практической деятельности наиболее важными являются следующие параметры: номинальная мощность, полное электрическое сопротивление, частота механического резонанса подвижной системы, частотная характеристика, среднее стандартное звуковое давление, коэффициент гармонических искажений и характеристика направленности излучения. Разберем по порядку их физическую сущность. 

 За номинальную принимают такую электрическую мощность синусоидального сигнала, подводимую к громкоговорителю, при которой коэффициент гармонических искажений еще не превышает допустимую технической документацией величину. Номинальную мощность выражают в вольтамперах (ВА) и обязательно указывают в сопровождающем громкоговоритель документе. 

 Кроме номинальной, иногда приводят и так называемую паспортную мощность громкоговорителя. Она показывает, какую мощность способен долговременно выдерживать громкоговоритель при реальном сигнале - (музыка, речь) и том же коэффициенте гармонических искажений. Паспортная мощность обычно бывает в 1,3 - 1,5 раза больше номинальной мощности. В радиолюбительской практике паспортную мощность чаще называют музыкальной мощностью. 

 Полное электрическое сопротивление показывает отношение напряжения на звуковой катушке громкоговорителя к протекающему через нее току и определяется в основном активным сопротивлением звуковой катушки и ее индуктивностью. Выражают полное электрическое сопротивление громкоговорителя в омах (Ом). 

 Полное электрическое сопротивление громкоговорителя не постоянно и зависит от частоты подводимого к звуковой катушке напряжения. Однако в области нижних звуковых частот полное электрическое сопротивление имеет ярко выраженный пик, обусловленный частотой механического резонанса подвижной системы громкоговорителя. Затем оно довольно резко уменьшается до величины, почти равной активному сопротивлению звуковой катушки, а потом плавно увеличивается, достигая на верхних звуковых частотах своей максимальной величины. Это увеличение обусловлено возрастанием индуктивного сопротивления звуковой катушки. 

 Полное электрическое сопротивление громкоговорителя играет значительную роль при расчете звуковоспроизводящих устройств, и от правильного его выбора зависит коэффициент гармонических искажений всего устройства в целом. Поэтому в сопровождающем громкоговоритель документе всегда указывают его полное электрическое сопротивление на частоте 400 или 1000 Гц. При его отсутствии в качестве полного можно принять его приблизительное значение для частоты 1000 Гц, равное 1,25 активного сопротивления звуковой катушки, то есть сопротивления, измеренного омметром, работающим на постоянном токе.

 Частота механического резонанса подвижной системы показывает, с какой наиболее низкой звуковой частоты громкоговоритель начинает эффективно воспроизводить звуковые частоты. Однако частота механического резонанса зависит не только от конструкции громкоговорителя и мягкости подвеса диффузора, но еще и от акустического (внешнего) оформления громкоговорителя. Иногда однотипные громкоговорители выпускаются с различными частотами механического резонанса. В этом случае громкоговоритель, имеющий более высокую частоту механического резонанса, лучше воспроизводит и верхние звуковые частоты. 

 Частотная характеристика громкоговорителя показывает зависимость его звукового давления от частоты. Ее либо изображают графически в логарифмической системе координат, либо указывают границы, в пределах которых неравномерность не превышает допустимой величины. Для массовых типов громкоговорителей частотную характеристику обычно указывают при неравномерности в 14 дБ. 

 Частотная характеристика громкоговорителя, как правило, имеет довольно резкие спады на граничных частотах и различные пики и провалы внутри диапазона частот, воспроизводимого громкоговорителем. Однако резкие пики и провалы величиной до 2 дБ или шириной до 1/8 октавы при определении неравномерности частотной характеристики обычно не учитываются. Это объясняется тем, что наше ухо на такие изменения не реагирует. Между тем лучшим признают тот громкоговоритель, частотная характеристика которого охватывает больший диапазон звуковых частот и имеет меньше или менее острые пики и провалы. 

 Измерение частотной характеристики громкоговорителя производят в специальной акустической (заглушенной) камере. Если громкоговоритель испытывают без внешнего оформления, то его устанавливают на специальный акустический экран, размеры которого и место установки на нем громкоговорителя оговариваются в технической документации. Сделано это для того, чтобы исключить возможность взаимного уничтожения излучения звуковых волн передней и задней сторонами диффузора и тем устранить ослабление воспроизведения нижних звуковых частот. Измерение частотной характеристики производят на расстоянии одного метра от громкоговорителя по его рабочей оси и при первоначальном подведении напряжения, соответствующего мощности в 0,1 ВА на частоте 1000 Гц. Измеренную в таких условиях частотную характеристику называют еще частотной характеристикой громкоговорителя по звуковому давлению. 

 Среднее стандартное звуковое давление, развиваемое громкоговорителем, определяют как среднеарифметическое из значений звукового давления на определенных частотах, расположенных внутри номинального (оговоренного для данного типа громкоговорителя) диапазона воспроизводимых звуковых частот. Его обычно вычисляют по частотной характеристике громкоговорителя, измеренной в акустической камере, и выражают в паскалях (Па) или ньютонах на квадратный метр (Н/м²). Ранее применявшаяся единица дин/см² (бар) равна 0,1 Па. 

 Среднее стандартное звуковое давление в определенной степени характеризует громкость звучания громкоговорителя. При прочих равных условиях громче будет звучать тот громкоговоритель, звуковое давление которого больше. 

 Коэффициент гармонических нелинейных искажений (или просто гармонические искажения) показывает, какой процент гармонических составляющих содержится в выходном сигнале при подведении к громкоговорителю чистого синусоидального сигнала. Говоря иначе, при наличии гармонических искажений звуковые волны, излучаемые громкоговорителем, изменяют свою форму, и в составе слышимого звука появляются гармонические частоты, которых ранее не было. Мы уже говорили, что наше ухо чрезвычайно чувствительно к гармоническим составляющим, нарушающим естественность звучания. Не надо путать гармонические искажения с гармоническими составляющими основного тона музыкальных инструментов. Гармонические искажения не придают никакой тембровой окраски звучанию. Наоборот, они проявляются как посторонние призвуки, сип, хрип, дребезжание и т. п., что, несомненно, портит слуховое восприятие. Поэтому гармонические искажения строго нормируются и обычно не превышают 5 - 7% на частотах до 200 Гц и 3 - 5% на частотах выше 200 Гц. Чем шире диапазон частот, воспроизводимых громкоговорителем, тем меньше должны быть его гармонические искажения. Только в этом случае можно добиться естественного звучания разнообразных программ. 

 Характеристика направленности излучения показывает, как изменяется звуковое давление громкоговорителя при отклонении от его рабочей оси. Обычно характеристику направленности излучения измеряют на определенных частотах внутри рабочего диапазона частот и изображают графически в системе полярных координат. Характеристика направленности излучения показывает, как распределяется звуковая энергия, излучаемая громкоговорителем в пространстве озвучаемого помещения. 

 Направленность излучения непосредственно зависит от длины звуковой волны и излучающей поверхности громкоговорителя (то есть размеров диффузора). Она тем острее, чем больше излучающая поверхность по сравнению с длиной звуковой волны. Поэтому на нижних звуковых частотах, когда длина волны больше или соизмерима с размерами диффузора, громкоговорители обычно не обладают направленностью излучения. Зато на верхних звуковых частотах, когда длина волны становится существенно меньше размеров диффузора, направленность излучения проявляется достаточно остро. 

 Зачастую направленность излучения считают нежелательным явлением. Однако иногда она бывает весьма полезной или даже необходимой. Но об этом мы поговорим несколько позже. 

 Электродинамические громкоговорители могут быть круглыми или эллиптическими (овальными), широкополосными и с ограниченным диапазоном излучаемых звуковых частот, одно- или двухдиффузорными. Наиболее массовые это круглые, и эллиптические однодиффузорные громкоговорители с полосой воспроизводимых звуковых частот от 100 - 150 до 7000 - 10000 Гц. Необходимые сведения о наиболее распространенных и применяемых в магнитофонах громкоговорителях приведены в таблице. 

Таблица 2 Основные данные диффузорных головок (громкоговорителей), используемых в бытовых магнитофонах 

 На каждом громкоговорителе обязательно проставляется его обозначение, составленное из его номинальной мощности, типа и номера разработки. Иногда после номера разработки проставляется частота механического резонанса подвижной системы. Например, обозначение 1ГД-36-140 расшифровывается так: номинальная мощность 1 ВА, громкоговоритель электродинамический (динамический), тридцать шестая разработка, частота механического резонанса подвижной системы 140 Гц. 

 Из описания работы микрофона и громкоговорителя вы, очевидно, уже сделали вывод, что обе эти системы обратимы, то есть микрофон может работать как громкоговоритель, а громкоговоритель - как микрофон. И эта обратимость иногда используется. Например, в диктофонах микрофон используют как контрольный громкоговоритель при быстрой проверке сделанной записи. В переговорных устройствах, наоборот, громкоговоритель используют в качестве микрофона. Но, конечно, о каком-либо выполнении специфических норм и требований, предъявляемых к микрофонам и громкоговорителям, в этом случае не может быть и речи. Те из вас, кто строил портативные и карманные приемники, наверное, тоже использовали микрофоны ДЭМ-4 и ДЭМШ в качестве громкоговорителя. Но здесь это было вызвано экономическими соображениями и простотой конструкции в ущерб качеству звучания. 

 Вот, пожалуй, и все, что мы хотели рассказать вам о звуке, слухе, музыке и акустических преобразователях.