Текст книги "Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы"

Автор книги: Рудольф Сворень

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 16 страниц)

Рис. 11. В зависимости от интервала между двумя звуками наш слух различает созвучия консонансы (благозвучные, приятные) и созвучия диссонансы (неприятные, раздражающие).

Первые исследователи музыкальной шкалы, а этой проблемой занимался еще Пифагор, ввели в нее консонирующие интервалы в чистом виде. Однако высота частотных ступенек при этом получалась неодинаковой, и в звучании музыки часто слышалась фальшь. Около 250 лет назад немецкий ученый и музыкант Лндреас Веркмейстер путем довольно сложных математических расчетов создал так называемую двенадцатиступенчатую, равномерно темперированную шкалу. На ней высота всех частотных ступенек одинакова (6 %), и в то же время имеются интервалы, очень близкие к консонирующим: к чистой квинте, терции, кварте и др. Этой шкалой пользуется и современная музыка, хотя время от времени предлагаются проекты более совершенной музыкальной шкалы: с большим числом ступенек в пределах октавы, большим приближением к естественным, продиктованным самой природой консонирующим интервалам. Пока эти проекты остаются только проектами. Но вряд ли стоит утверждать, что в будущем они не станут достоянием музыкального искусства.

В чем же состоит различие консонанса и диссонанса? Почему ухо по-разному реагирует на них? За счет чего одни созвучия мы относим к приятным, а другие едва в состоянии слушать? Впервые на эти вопросы попытался ответить Гельмгольц. Исследуя хорошо известное музыкантам явление – возникновение в самом ухе гармоник и комбинационных тонов, он построил довольно строгую теорию консонанса. Вот уже около ста лет ученые стремятся дополнить, развить, проверить или опровергнуть эту теорию и сами при этом открывают новые и интересные подробности анализа созвучий.

В качестве примера можно указать работы профессора С. Н. Ржевкина, который исследовал созвучия, подводя один чистый тон к правому уху, а второй – к левому. Оказалось, что в этом случае мы вообще не в состоянии заметить ни консонансов, ни диссонансов. Так еще раз было доказано, что истинное созвучие получается лишь тогда, когда оба звука попадают в одно ухо и там создают «гибридные» комбинационные тона.

Другую музыкальную проблему, привлекающую внимание физиков и физиологов, можно определить одним словом «ритмы». Марш, вальс, галоп, колыбельная. Даже эти простые примеры говорят о том, что ритмический рисунок – сложное чередование акцентов, пауз, звуков различной длительности – одно из главных выразительных средств музыки. Попутно хочется заметить, что не только в музыке, но в стихах, отчасти и в прозе, слух выделяет, а мозг оценивает созвучия (рифмы) и ритмы. Есть основание думать, что действие музыкальных и поэтических ритмов связано с ходом наших внутренних «биологических часов». Эти «часы» представляют собой сложные и пока еще во многом загадочные биологические и биохимические системы, которые отбивают такт работы отдельных клеток и целых органов – сердца, легких, мозга, определяют ритм жизни.

Наряду с изменением громкости и высоты звука, сложными ритмами, приятным и неприятным сочетанием тонов музыкальное искусство использует еще одно сильнейшее «оружие» – тембры. Мы уже знаем, что тембровая окраска определяется спектром звука – числом гармоник (обертонов) и их амплитудами. Ну, а сам спектр прежде всего зависит от того, каким способом создается звук, какой музыкальный инструмент является его источником [1][3]3
  В квадратных скобках указан порядковый номер рекомендуемой книги или журнальной статьи по списку, приведенному в конце книги.


[Закрыть].

Из всех музыкальных инструментов принято выделять три основные группы: струнные, духовые и ударные (рис. 12).

Рис. 12. Музыкальные инструменты.

В струнных инструментах, как говорит само название, источником звука является колеблющаяся струна. Можно думать, что далеким предком этих инструментов была туго натянутая поющая тетива лука. В зависимости от того, каким образом струна приводится в движение, среди струнных инструментов выделяют смычковые (скрипка, альт, виолончель, контрабас), щипковые (арфа, гитара, гусли, мандолина, балалайка) и клавишно-ударные (рояль).

Сама по себе струна создает очень слабый звук – уже на расстоянии 2–3 м он почти не слышен. Это связано с тем, что струна, даже самая толстая, имеет очень небольшую площадь поперечного сечения и увлекает за собой малый объем воздуха. Чтобы получить заметную звуковую мощность, во всех струнных инструментах, струну объединяют с большим излучателем. Струна приводит в движение излучатель, а он уже, захватывая большие массы воздуха, создает достаточно мощное излучение. У скрипки, гитары, контрабаса основной излучатель звука – это сам корпус инструмента, у рояля основным излучателем является особой формы доска – резонансная дека, над которой натянуты струны.

У каждого типа музыкальных инструментов имеется свой характерный тембр. Более того, даже инструменты одного и того же типа создают звук с различной тембровой окраской. Так, например, прослушав несколько, казалось бы, одинаковых скрипок, человек с хорошим слухом у каждой из них обнаружит какую-либо особенность звучания.

Как уже говорилось, струна создает большое число гармоник. Излучатель-корпус, резонируя на разных частотах, усиливает те или иные гармоники, подчеркивает их, окончательно формирует тембр. Те области частотного диапазона, где происходит усиление, подчеркивание гармоник, называют формантами. Можно сказать, что форманта – это область, где частотная характеристика излучателя звука имеет заметный подъем.

В правой части рис. 12 показаны графики, характеризующие тембровые особенности некоторых музыкальных инструментов. Первые два графика – это резонансные характеристики различных по звучанию скрипок. Характеристики показывают, в какой степени тот или иной инструмент подчеркивает звуковые колебания разных частот. Из графиков видно, что различные по характеру звучания скрипки прежде всего отличаются своими формантами. Так, в частности, главная форманта в знаменитых скрипках старинного итальянского мастера Страдивариуса находится в области 3200–4200 гц, в то время как у плохой скрипки эта форманта сдвинута в область 2200–2800 гц.

На третьем графике показан спектр звука «до» (частота 130 гц) на современном рояле, а на следующем графике – спектр того же звука, воспроизведенного на фортепьяно эпохи Бетховена. В старинном фортепьяно применялись тонкие струны, и натянуты они были во много раз слабее, чем на современном рояле[4]4
  В современном рояле сила натяжения одной струны достигает 50–55 кг, а всех струн – 12 г.


[Закрыть]. Ударный молоточек был оклеен сравнительно жестким материалом, поэтому звук содержал большое число высших гармоник и имел звенящий («проволочный») оттенок.

В духовых музыкальных инструментах основным звучащим телом является столб воздуха. В зависимости от того, каким образом создаются колебания воздушного столба, различают духовые инструменты язычковые и безъязычковые. В язычковых инструментах (кларнет, гобой, саксофон, фагот) поток воздуха заставляет колебаться упругий язычок – тонкую металлическую, деревянную или тростниковую пластинку.

Сложная колебательная система «язычок – столб воздуха» и определяет «голос» инструмента. К язычковым духовым можно отнести баяны, гармони, аккордеоны. Здесь металлические язычки приводятся в движение воздухом, который нагнетают мехами. К язычковым часто относят и так называемые амбушюрные инструменты. Это трубы (труба, тромбон, валторна, пионерский горн), где роль колеблющегося язычка выполняют определенным образом сложенные губы музыканта.

Безъязычковые духовые инструменты (флейта, свирель, дудка) часто называют свистковыми – по принципу действия они напоминают обычный свисток. Источником колебаний в этих инструментах является воздушный вихрь – быстрый поток воздуха. Зацепившись за острый край так называемой губы, он создает ритмические вихревые движения, а они возбуждают звуковые колебания всего воздушного столба. Точно так же создается звук во многих органных трубах. В старинных органах воздух нагнетали большими мехами, а сейчас для этой цели используют мощные вентиляторы с электромоторами. Органист, нажимая на клавиши, переключает потоки воздуха, подает их на различные трубы.

В современном органе имеется несколько тысяч труб, которые создают звуки различной высоты и различных тембров. Частота звука зависит от размеров трубы. Большие органные трубы (длина до 11 м) создают низкочастотные звуки, а маленькие (длина до 10 мм) – высокочастотные. В духовых инструментах есть только одна труба, и для изменения высоты звука меняют ее действующую длину.

Для этого с помощью клапанов, а иногда и с помощью пальцев перекрывают отверстия в самой трубе (кларнет, фагот, гобой и др.), или направляют воздушный поток в ответвления основной трубы (валторна, кларнет, труба и др), или, наконец, меняют длину трубы с помощью выдвижного колена (тромбон). Кроме того, менять частоту звука можно, используя различные приемы вдувания воздуха, как это делают горнисты.

Особенность большинства ударных инструментов состоит в том, что они создают звук с большим числом сравнительно мощных гармоник, и, как правило, трудно говорить об основной частоте такого звука. Гармонические составляющие так близки, что их приходится рассматривать как сплошные полосы частот. Тембр ударного инструмента зависит от того, какие частоты входят в эту полосу и как распределяется мощность звука между участками полосы. Известно, что большой барабан явно «басит», а маленький создает резкий, звенящий звук, в который наряду с низкочастотными входят еще и высокочастотные составляющие. Эти особенности звучания отражены и в спектрах звука большого и малого барабанов (рис. 12).

У всякого музыкального звука различают три части: атаку, установившуюся часть и спад. Тембр любого музыкального инструмента зависит от того, как изменяется сила звука, от формы атаки и спада. Был проделан интересный опыт, который показал, насколько велико значение характера атаки. Музыкантам предложили прослушать через наушники несколько различных инструментов, причем наушники включались лишь после окончания атаки, через несколько десятых долей секунды после начала звучания. При этом даже опытные музыканты путали одни инструменты с другими.

Можно предположить, что подобные ошибки возникали с непривычки, так как слух музыкантов не приучен к обрубленным звукам, которые по своему спектру сильно отличаются от настоящего звука с нормальной атакой. Во всяком случае, ошибку никак нельзя отнести за счет плохой работы слухового аппарата – ухо анализирует и различает спектры сложных звуков с очень высокой точностью. Человек с натренированным слухом слышит каждую из 10–15 наиболее сильных гармоник сложного звука. Дирижеры и хормейстеры четко различают в многоголосом звучании хора и оркестра голоса певцов и звучание отдельных инструментов.

Рассказывают, что известный итальянский дирижер Артуро Тосканини однажды остановил репетицию большого симфонического оркестра и сделал замечание какому-то скрипачу – одна из струн его скрипки имела чуть-чуть пониженную частоту.

Изумительной способностью слухового аппарата анализировать спектры сложных звуков пользуется каждый из нас. Именно благодаря этой способности мы различаем звуки речи и можем обмениваться информацией по линиям акустической связи, проще говоря, можем разговаривать друг с другом.

Звуки речи имеют очень сложную форму кривой и очень сложный спектральный состав (рис. 7, 6). Формируются эти звуки голосовым аппаратом, который часто называют самым совершенным музыкальным инструментом. Звук образуется с помощью воздушного потока, который создают легкие.

После глубокого вдоха человек может выдохнуть около 4000 см³ воздуха, а при спокойном дыхании объем этот уменьшается в 5—10 раз. Когда мы поем, то расходуем 50—100 см³ воздуха в секунду, а при разговоре воздух расходуется еще экономнее. Интересно, что при тихом пении (пиано) опытные певцы расходуют в два раза больше воздуха, чем при громком (форте).

Легкие, подобно мехам баяна, продувают воздух через главный генератор звуковых колебаний – голосовые связки. Когда человек дышит, то голосовые связки раздвинуты, и образовавшаяся между ними щель легко пропускает воздух. Когда же мы говорим или поем, то щель сужается, а сами связки вибрируют и создают звук (рис. 7, 6, а, б). Управляют голосовыми связками особые мускулы, получающие сигналы из мозга. Меняя натяжение и длину связок, эти мускулы изменяют и основную частоту звуковых колебаний.

рис. 7, 6, а, б

Далее звуковая волна проходит через сложные резонансные полости (рот, носоглотка), где окончательно формируется спектр звука. В этом процессе главную роль играют губы, язык, зубы, нос, нёбо, с помощью которых подчеркиваются определенные составляющие сложного звука, то есть создаются определенные форманты. Так, в частности, для звука «о» характерна одна формантная область, середина которой может лежать в пределах от 550 до 850 гц; для звука «а» обнаружены две форманты – 550–850 гц и около 3 кгц; для звука «у» три форманты – около 550, 1900 и 2990 гц.

Сложнее обстоит дело с согласными звуками – некоторые из них произносятся без участия голосовых связок, а только с помощью полости рта. Для ряда согласных характерны составляющие сочень высокими частотами: для «ш» – до 4 кгц, для «с» – до 8 кгц. Для согласной «р» характерна составляющая с очень низкой частотой – около 20 гц.

Несколько слов о характеристиках певческого голоса. Прежде всего мы различаем голоса певцов по их частотному диапазону (табл. 6).

Приведенные в таблице цифры – это весьма условные границы, и их нельзя считать пределом. Так, например, около двухсот лет назад Моцарт слушал певицу Бастарделлу, которая довольно легко брала си третьей октавы (частота 1975 гц). А несколько лет назад в нашей стране гастролировала перуанская певица Има Сумак, которая пела не только в диапазонах женских голосов, но могла перейти в область тенора, баритона и даже баса [2].

Важная характеристика певческого голоса – вибрато. Так называют сравнительно медленное, с частотой около 6 гц, «качание» голоса. При меньшей частоте это качание кажется очень неприятным, при большей частоте в голосе слышится какая-то дрожь.

Красота звучания голоса в большей степени зависит от певческой форманты, которая лежит в области 2800 гц для мужских и в области 3200 гц для женских голосов. Значительное повышение частоты этой форманты придает голосу крикливость.

Процессы образования звуков речи и формирования певческого голоса еще далеко не изучены. Пока мы еще не можем полностью разобрать на части такую сложную характеристику, как красота певческого голоса. И вместе с тем такие точные показатели, как частота вибрато, сила голоса, частотные границы, средние частоты формантных областей, помогают оценивать голосовые данные, помогают формировать красивые голоса при обучении певцов.

При разговоре и пении человек расходует на создание звуковых волн очень небольшую мощность – даже для громких звуков она не превышает 1 вт. Но лишь очень небольшая часть этой небольшой мощности передается самим звуковым колебаниям, так как коэффициент полезного действия (к. п. д.) нашего речевого аппарата составляет 0,2–1 %. Таким образом, расходуя мощность 1 вт, мы излучаем звуковые колебания мощностью не более 0,01 вт (10 мет). Попутно заметим, что к. п. д. большинства музыкальных инструментов также очень мал: как правило, меньше 0,1 %.

По мере удаления от излучателя сила звука резко убывает. Здесь действует так называемая квадратичная зависимость: если увеличить расстояние в два раза, то сила звука уменьшится в четыре раза; при увеличении расстояния в десять раз сила звука падает в сто раз.

Все приведенные цифры говорят о том, что уху достаются очень слабые звуковые сигналы. Это особенно сильно ощущается, если собеседник находится далеко от нас и его голос теряется на фоне различных посторонних шумов. Когда уровень этих шумов невелик, например в ночное время, дальность разговорной связи заметно возрастает. Однако даже в самых благоприятных условиях наибольшее расстояние, на котором люди могут переговариваться или «перекрикиваться», не превышает нескольких тысяч метров.

Звуковой связью пользуются многие представители живого мира. Примитивной звуковой связью пользовались и первобытные люди. А затем она послужила основой для развития разумной речи, для развития мышления.

Очень четко об этом сказал Фридрих Энгельс: «Сначала труд, а затем и вместе с ним членораздельная речь явились двумя самыми главными стимулами, под влиянием которых мозг обезьяны постепенно превратился в человеческий мозг…»

Но если наших далеких предков вполне устраивала звуковая связь, то ее оказалось явно недостаточно в наш век – век больших скоростей, могучей промышленности, в век сложных экономических связей между отдаленными районами. На помощь медленному звуку пришел электрический сигнал, который мгновенно и без устали проходит огромные расстояния. С помощью такого замечательного союзника древнейшее изобретение природы – звуковая связь – начало совершенно новую жизнь.

В линиях акустической связи звуковые волны переносят информацию. Но каким образом записана эта информация, чем отличаются одни звуковые сигналы от других, как закодирована звуковая «телеграмма»?

Мы уже знаем, что различные звуки имеют разную форму кривой графиков, то есть различный спектральный состав. Именно в форме кривой звука, в его спектральном составе «записаны» знакомые слова, именно набором синусоидальных составляющих звук, несущий «да», отличается от звука, несущего «нет».

По образцу звуковых колебаний можно создать электрические колебания с такой же формой кривой, а значит, и с таким же спектром. В этом случае в электрических колебаниях будет записана та же информация, что и в звуковых. Электрическую копию звука можно передать на большие расстояния, отправить на длительное хранение («записать»), во много раз усилить ее мощность и, наконец, когда это понадобится, вновь превратить в звук.

В следующей главе мы познакомимся с некоторыми участниками этих интересных преобразований.

Глава II
БРИГАДА ПЕРЕВОДЧИКОВ

Общая схема передачи звука с помощью электрических сигналов выглядит так.

Первое. На передающей стороне с помощью звуковых волн создают переменный ток, график которого в точности соответствует графику звукового давления. Иными словами, на передающей стороне создается электрическая копия звука, звуковые колебания переводят на электрический «язык».

Второе. Копия звука – переменный ток – передается по линии связи. Не будем пока думать о том, как происходит эта передача. Отметим лишь, что электрический сигнал двигается со скоростью 300 000 000 м/сек, то есть почти в миллион раз быстрее звука, и легко преодолевает большие расстояния.

Третье. На приемной стороне с помощью переменного тока создают звук, колебания переводят с электрического «языка» на акустический. Вам, конечно, хорошо известны такие системы электросвязи, как телефон и радиотелефон. Обе они как раз и работают по схеме «звук – электричество – звук». При телефонной связи электрическая копия звука передается по проводам. В системе радиосвязи электрическая копия путешествует от передатчика к приемнику в виде электромагнитных волн. Однако независимо от способа передачи электрического сигнала, в любой из этих систем должны быть переводчики, превращающие звуковые колебания в электрические (передающая сторона) и электрические в звуковые (приемная сторона).

Сейчас нам предстоит познакомиться с электроакустическими переводчиками – микрофонами и громкоговорителями. Но прежде несколько слов о главном требовании, которое к ним предъявляется. Это требование можно сформулировать так: «Переводчик не должен врать».

Что нужно для того, чтобы громкоговоритель воспроизвел точно такой же звук, какой «услышал» микрофон? Для этого прежде всего необходимо, чтобы графики этих звуков были одинаковыми, чтобы у них был один и тот же спектральный состав. Ведь именно формой графика, спектральным составом отличаются одни звуки от других: звук «а» от «б», пионерская песня от старинного вальса.

Задача неискаженной передачи звука распадается на три основные части. Во-первых, нужно без искажений преобразовать звук в ток. Нужно, чтобы график тока был в точности похож на график звука, чтобы спектр тока (ток сложной формы можно представить как сумму синусоидальных токов) в точности соответствовал спектру звука. Во-вторых, нужно, чтобы весь спектр сложного тока, все его составляющие без изменения пропорции прошли по всем электрическим цепям. В-третьих, сложный ток должен быть без искажений преобразован в звук.

К сожалению, наши переводчики не всегда пунктуальны. В процессе преобразований «звук-ток» и «ток-звук», впрочем, так же, как и при передаче электрической копии по линии связи, могут возникать искажения спектра, которые, естественно, означают искажение звука.

Что такое «плохо»?

Возможны три вида искажений спектра: нелинейные, частотные и фазовые. Мы с вами будем обращать внимание только на первые два вида (нелинейные и частотные), так как третий вид искажений – фазовые – наше ухо практически не замечает.

Из-за нелинейных искажений в спектре сигнала, в данном случае в спектре звука, излучаемого громкоговорителем, появляются посторонние составляющие (рис. 16). Пример: перед микрофоном звучит чисто синусоидальный тон с частотой 100 гц, а громкоговоритель воспроизводит сложный, то есть уже непохожий, искаженный звук с составляющими 100 гц, 200 гц, 300 гц и т. д. Грубо говоря – перед микрофоном играет скрипка, а слышится тромбон.

Источником подобных искажений может быть любой элемент – например, микрофон или громкоговоритель – с нелинейной характеристикой. Сейчас мы попытаемся выяснить, что означает и к чему приводит это качество – нелинейность.

Нелинейность можно встретить в любом природном явлении: она играет важную роль в работе многих технических и особенно электронных устройств. Однако для того, чтобы не уходить далеко в сторону, мы познакомимся с нелинейной характеристикой на примере самого популярного «переводчика» – электродинамического преобразователя, который выступает как в роли микрофона, так и в роли громкоговорителя. Главные детали этого преобразователя – магнит, катушка и связанный с нею легкий упругий диффузор (рис. 13, 14, 1 и 20, 1).

Рис. 13. Электродинамический преобразователь, подобно генератору, может преобразовать звук в ток (микрофон) либо, подобно двигателю, ток в звук (громкоговоритель).

рис. 14, 1

рис. 20, 1

Вы знаете, что вблизи катушки, по которой проходит ток, возникает магнитное поле с явно выраженными полюсами – северным и южным. Если поместить катушку нашего преобразователя в поле постоянного магнита (рис. 13) и пропустить по ней переменный ток, то в результате взаимодействия магнитных полей катушка придет в движение. При этом «танец» будет в точности следовать за «музыкой», отклоняясь, катушка будет следовать за всеми изменениями тока. Связанный с катушкой диффузор подобно струне увлечет за собой окружающий воздух и создаст звуковые волны – акустическую копию переменного тока. Так работает электродинамический громкоговоритель, иногда для краткости называемый динамиком.

Громкоговоритель – это своеобразный двигатель, превращающий электроэнергию в механическую работу. Микрофон можно смело назвать генератором, так как в нем происходит обратный процесс – за счет энергии звуковых колебаний создается ток.

Известно, что если двигать проводник в магнитном поле, то в результате электромагнитной индукции (наведения) на концах этого проводника появится э. д. с. (электродвижущая сила). Подключим к проводнику нагрузку, то есть создадим замкнутую электрическую цепь, и под действием наведенной э. д. с. в цепи пойдет электрический ток. Чем быстрее движется проводник, тем больше наведенная э. д. с., тем больше и ток в цепи.

Когда на электродинамический преобразователь попадают звуковые волны, они увлекают за собой диффузор, и он колеблется, повторяя все изменения звукового давления. Вместе с диффузором приходит в движение расположенная в магнитном поле катушка, и в ее цепи появляется ток – электрическая копия звуковых колебаний. Так работает электродинамический микрофон.

Работу громкоговорителя и микрофона можно проиллюстрировать с помощью графиков. Один из таких графиков приведен на рис. 15. Он показывает, как диффузор громкоговорителя отклоняется от условной средней линии положения покоя. Из графика видно, что, чем больше ток, тем дальше отклоняется диффузор, а токам разного направления соответствует отклонение в разные стороны (вперед-назад). Приведенный график часто называют амплитудной характеристикой.

Обратите внимание: при сравнительно небольших изменениях тока, в пределах от —2 до +2 а, график представляет собой прямую линию. В таких случаях обычно говорят, что зависимость между отклонением диффузора и током в катушке носит линейный характер. Как видите, на линейном участке отклонение растет прямо пропорционально току. Увеличение тока на 1 а всегда дает отклонение на 0,5 мм.

Рис. 15. В некотором интервале (на этом рисунке от —2 а до +2 а) амплитудная характеристика громкоговорителя линейна: отклонение диффузора прямо пропорционально току в звуковой катушке.

Для токов, больших, чем 2 а, линейный характер зависимости уже нарушается, на графике появляются изогнутые (нелинейные) участки, так называемые загибы. Появление их объясняется очень просто – ток не может беспредельно отклонять диффузор, иначе в какой-то момент он просто сорвется с места и улетит на Луну[5]5
  В этой шутке есть доля правды. При чрезмерно большом токе, то есть при перегрузке громкоговорителя, иногда случается, что диффузор или катушку буквально срывает с места.


[Закрыть]. Диффузор закреплен достаточно прочно, и амплитуда его отклонений ограничена. Вот почему после некоторого значения тока (в нашем примере 2 а) отклонение становится все меньше и меньше и, наконец, при токе 3 а почти совсем прекращается. Именно об этом и говорят нелинейные участки – загибы на графике.

До тех пор пока громкоговоритель работает на линейном участке (ток не более 2 а) и отклонение прямо пропорционально току (каждый ампер отклоняет диффузор на 0,5 мм), преобразование «ток – звук» происходит без нелинейных искажений – переводчик «не врет». Именно об этом рассказывает тройной график на рис. 16. С подобными графиками нам предстоит встретиться во всех разделах книги, а поэтому есть смысл сразу же выяснить, как они строятся и о чем говорят.

Рис. 16. Если ток в звуковой катушке выходит за пределы линейного участка, возникают нелинейные искажения: изменяется форма сигнала, и в его спектре появляются посторонние составляющие.

Основой совмещенного тройного графика (рис. 16) является уже знакомая нам (рис. 15) амплитудная характеристика громкоговорителя (А), показывающая, как отклонение диффузора зависит от тока в катушке. Снизу к этой характеристике пристроен график тока (Б). Он показывает, как меняется ток с течением времени. График тока очень похож на графики колебаний струны (рис. 1) и звукового давления (рис. 4). На рис. 16 график тока выглядит несколько непривычно только потому, что мы его положили набок. Сделано это для того, чтобы ось тока легла параллельно такой же оси на амплитудной характеристике громкоговорителя. Теперь мы можем быстро и легко определять отклонение диффузора для любого момента времени: достаточно перебросить мостик – пунктирную линию от графика тока к характеристике громкоговорителя.

Попробуем сделать последний, третий шаг – построить график отклонения (В), который покажет, как колеблется диффузор, в какую сторону и насколько он отклоняется в тот или иной момент. Последовательность построения такова: выбираем какой-либо момент времени на графике отклонений (например, 0,01 сек); берем такой же момент времени на графике тока; находим для этого момента времени величину тока (+ 2 а); по характеристике громкоговорителя находим соответствующее этому току отклонение диффузора (1 мм); переносим найденную величину на график отклонений и делаем отметку против выбранного значения времени (0,01 сек).

Сделав достаточно большое количество таких построений, мы и получим график отклонений диффузора. Подобные тройные графики часто строят на основе характеристики электронной лампы, полупроводникового прибора, трансформатора и т. д.

График для первого периода, то есть до момента 0,04 сек, показывает, что если громкоговоритель работает на линейном участке амплитудной характеристики, то отклонение и ток имеют одинаковую форму кривой, а значит, и одинаковый спектральный состав.

Совсем иначе обстоит дело, если переменный ток выходит на нелинейный участок характеристики (амплитуда тока более 2 а). В этом случае (во время второго периода колебаний, от 0,04 до 0,08 сек) прямая пропорция между отклонением диффузора и током в катушке нарушается, верхушки графика отклонения получаются приплюснутыми, форма кривой изменяется и в спектре появляются новые составляющие.

Появление этих новых составляющих (в нашем случае это гармоники с частотой 2f, 3f и т. д.) является следствием нелинейности характеристики (в нашем случае – характеристики громкоговорителя) и называется нелинейным искажением сигнала (в нашем случае – звука). Если бы характеристика была линейной, то форма кривой не была бы искажена и в спектре не оказалось бы посторонних составляющих.

В заключение нам остается договориться о количественной оценке – ввести коэффициент нелинейных искажений К_н.и. Этот коэффициент (иногда его называют «клирфактор» – показатель ясности – и обозначают К_f) показывает, насколько сильны новые, появившиеся в результате искажений составляющие, сколько процентов общей мощности приходится на их долю. Вот как подсчитывается этот коэффициент:

Существуют приборы, которые, анализируя спектр на входе и на выходе какого-либо устройства, могут очень точно измерить коэффициент нелинейных искажений. Предварительно отметим, что при воспроизведении музыки ухо обычно замечает нелинейные искажения уже начиная от 4–7 %. При больших значениях К_н.и нелинейные искажения заметны сильнее. Они меняют тембр звука, создают посторонние призвуки и неприятное хрипение (рис. 17). Особенно неприятны нелинейные искажения, когда, кроме гармоник (их частота кратна основной), появляются составляющие с комбинационными частотами.

Рис. 17. В результате нелинейных искажений звук становится хриплым, дребезжащим, загрязненным посторонними призвуками.

Как видите, нам пришлось провести большую подготовительную работу и затратить довольно много времени, чтобы пояснить, что такое нелинейные искажения. О том, что такое частотные искажения, рассказать намного проще – это просто неодинаковое, «несправедливое» отношение к составляющим различных частот. Пример: подводим к громкоговорителю три синусоидальных переменных тока с разными частотами и с одинаковой – подчеркиваем, с одинаковой (!) – амплитудой, а он, громкоговоритель, создает три звука разной – заметьте, разной (!) – силы (рис. 18). Это значит, что громкоговоритель вносит частотные искажения – неодинаково хорошо преобразует в звук переменные токи разных частот.