REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY IUI U M I ARTS Kurz: Studiová technika II Autor: Jiří Schimmel 2 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Reproduktorové sústavy • Pomocí současných technologií konstrukce elektroakustických měničů nelze zkonstruovat reproduktor, který by byl měl dostatečně vyrovnanou kmitočtovou charakteristiku v celém pásmu akustických kmitočtů • Pro věrnou reprodukci zvukových signálů je proto nutné používat dvou i více reproduktorů odlišných konstrukcí spojených do reproduktorové soustavy • hlubokotónový reproduktor (woofer) slouží k reprodukci nízkých kmitočtů • vysokotónový reproduktor (tweeter) slouží k přenosu vysokých kmitočtů • O rozdělení spektra reprodukovaného signálu mezi reproduktory soustavy, které jsou pro přenos daného pásma určeny, se stará kmitočtová výhybka • Reproduktory jsou společně umístěny do reproduktorové ozvučnice, která je nutná pro zamezení tzv. akustickému zkratu u reproduktorů s otevřenou konstrukcí a také ovlivňuje přenos hlubokotónového reproduktoru. Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 3 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Ozvučnice jako akustická soustava Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 4 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Ozvučnice jako akustická soustava • Objem vzduchu uzavřený v ozvučnici za reproduktorem se chová jako přídavná poddajnost, která tlumí pohyb membrány Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 5 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Translační akustická soustava • Místo síly působící na hmotný bod bude budičem generátor akustického tlaku působícího silou F na plochu S F = pS • Objemové posunutí Y: pohyb plochy S rychlostí v při výchylce y z rovnovážné polohy Y = Sy • Akustická objemová rychlost: časová změna objemového posunutí Y W = ^ = S^ = Sv át át • Elektroakustická analogie: • Akustický tlak p ~ síla F ^> napětí u • Akustická objemová rychlost W ~ rychlost v ^> proud / Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 6 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Translační akustická soustava • Akustická soustava se soustředěnými parametry: • homogenní • malé dynamické změny (lineární soustava) • vlnová délka nejvyššího kmitočtu musí být tak velká, abychom mohli předpokládat soufázové kmitání • Uvažujeme translační pohyb • Základní prvky akustických soustav: • akustická hmotnost mA ~ mechanická hmotnost mM, akumulace kinetické (akustické objemové) energie • akustická poddajnost cA ~ mechanická poddajnost cM, akumulace potenciální (tlakové) energie • akustický odpor rA ~ mechanický odpor rM, rozptyl vnitřním třením částic v teplo Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 7 REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY Jiři Schimmel STUDIOVÁ TECHNIKA II Náhradní schéma mechanické soustavy reproduktoru F _nnnn_||_|=|_ v-r—' mechanická impedance membrány m mv mv mmd - hmotnost membrány (včetně kmitací cívky a jejího uložení) cms - poddajnost uložení membrány (okrajů i středící membrány) rmd - mechanický odpor zahrnující vliv ztrát při kmitání membrány Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Náhradní schéma mechanické soustavy reproduktoru v ozvučnici membrána cb - poddajnost objemu ozvučnice mmv, rmv - vyzařovací impedance membrány Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 9 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Otevřená ozvučnice • Akustický zkrat omezen jenom částečně • Mezní kmitočet: Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 10 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Uzavřená ozv učnice • Energie zadní zvukové vlny přeměněna v teplo =^> snížení účinnosti reproduktoru • Objem ozvučnice představuje další poddajnost, dojde ke snížení citlivosti reproduktoru • Soustava reproduktoru a ozvučnice se chová jako horní propust 2. řádu r \ r-\ Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 11 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Ozvučnice jako akustická soustava Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Ozvučnice typu bassreflex • Vnitřní objem ozvučnice je s prostředím spojen bassreflexovým nátrubkem -ozvučnice se chová jako Helmholzův rezonátor, v jehož stěně je umístěn reproduktor Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 13 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Ozvučnice typu bassreflex • Bassreflexový nátrubek společně s objemem ozvučnice reprezentuje další poddajnost a hmotnost, jedná se o dva rezonanční obvody Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 14 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Ozvučnice typu bassreflex • Nad rezonančním kmitočtem je signál vyzařovaný bassreflexovým nátrubkem ve fázi se signálem vyzářeným přední stranou reproduktoru • Při rezonančním kmitočtu je většina akustické energie vyzářena plochou nátrubku. • Soustava reproduktoru a ozvučnice se chová jako horní propust 4. řádu Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 15 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Ozvučnice typu bassreflex dB deg nátrubek reproduktor výsledná charakteristika Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Ozvučnice typu bassreflex Výchylka membrány narůstá pod rezonančním kmitočtem • nelineární zkreslení • mechanicky nebezpečné pro reproduktor Turbulentní proudění kolem okrajů nátrubku A 10 -a -10 -20 -30 -40 akustický tlak 0.2 0.4 fh 1 fT 10 Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 17 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Ozvučnice typu bassreflex • Výhody: • větší účinnost • menší potřebný objem skříně • menší dolní mezní kmitočet • nižší zkreslení při rezonančním kmitočtu a nad ním • Nevýhody: • velké zkreslení pod rezonančním kmitočtem • složitější návrh a konstrukce • nelaminární prouděním vzduchu v nátrubku • složitější umisťování (20 cm od překážky) Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 18 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Ozvučnice typu pásmová propust • Subwoofer: speciální reproduktorová soustava pro reprodukci nízkých kmitočtů, doplněk reproduktorových soustav pro zbytek pásma • Minimálně dvě komory, reproduktory se instalují na příčku mezi komorami • Dochází k filtraci zvukového signálu v komoře (chová se jako filtr typu pásmová propust) Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Ozvučnice typu pásmová propust Konstrukce s jedním reproduktorem: • Single reflex bandpass dvě komory, jedna z nich s nátrubkem pásmová propust 4. řádu • Dual reflex bandpass, paralelní řazení dvě komory, každá s nátrubkem pásmová propust 6. řádu Dual reflex bandpass, sériové řazení dvě komory, propojené nátrubkem, jedna z nich s druhým nátrubkem pásmová propust 6. řádu Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 20 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Ozvučnice typu pásmová propust • Ozvučnice Dual Reflex Bandpass, paralelní řazení dB deg Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Ozvučnice typu transmission line • Zpoždění signálu ve zvukovodu, signál ze zvukovodu vychází se stejnou fází jako signál z reproduktoru. • Délka zvukovodu by měla odpovídat čtvrtině nebo polovině vlnové délky Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 22 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Ozvučnice typu transmission line Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Akustická soustava sluchátka • Membrána reproduktoru sluchátka je zatížena akustickou soustavou • krytu za reproduktorem (objem, případně hmotnost a třecí odpor vzduchu v akustických kanálcích) • ucha (zejména objemu mezi membránou a bubínkem) Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Náhradní schéma mechanické soustavy sluchátka BI v ©elektrická impedance u' kmitací cívky , V_ X Y /r mechanická yL impedance membrány mv vyzařovací impedance Re, Le - stejnosměrný odpor a indukčnost cívky mmd - hmotnost membrány (včetně kmitací cívky a jejího uložení) cme - poddajnost uložení membrány (okrajů i středící membrány) m s rmd - mechanický odpor zahrnující vliv ztrát při kmitání membrány '"rav mv - vyzařovací impedance Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Simulace akustické impedance ucha a) Akustický vazební člen (acoustic coupler): • komůrka definovaného objemu spojující měřené sluchátko a měřicí mikrofon, simuluje pouze objem, nepřesné na vyšších kmitočtech b) Simulátor ucha (ear simulator): • simulátor uzavřeného ucha • simulátor vnějšího ucha • simulátor boltce Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 26 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Akustické vazební členy a) IEC 60318-3: akustický vazební člen o objemu 6 cm3 pro kalibraci náušních sluchátek pro audiometrii, rozsah 125 Hz až 8 kHz b) IEC 60318-5 : akustický vazební člen o objemu 2 cm3 pro vsuvná sluchátka a naslouchátka, rozsah 125 Hz až 8 kHz Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 27 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Simulátory ucha • ITU P.57 Type 3: typ 2 rozšířený o válcovou dutinu simulující dutinu vnějšího ucha a) Typ 3.1: simulátor spodní části vnějšího ucha, rozšíření typu 2 o 10 mm dutinu zakončenou deskou, doporučený pro sluchátka vkládaná do dutiny boltce, akustický tlak je snímán na DRP, pomocí tabulek se koriguje na ERP, pokud je potřeba b) Typ 3.2: zjednodušený simulátor vnějšího ucha, typ 3.1 s definovaným pronikáním simulujícím reálné ztráty při netěsnosti se stupni „high" a „low", doporučený pro náušní sluchátka a sluchátka vkládaná za záhyb boltce s tuhými náušníky pro telekomunikační aplikace, simulují akustickou impedanci a přenos na ERP Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 28 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Simulátory ucha c) Typ 3.3: simulátor boltce, zakončení reálným zvukovodem a boltcem, vhodný pro jakýkoliv typ sluchátek, akustický tlak je snímán na DRP, pomocí tabulek se koriguje na ERP, pokud je potřeba d) Typ 3.4: simulátor boltce (zjednodušený), typ 2 s rozšířením zvukovodu a zjednodušeným boltcem, simulace netěsností pro přítlaky 1 až 13 N, doporučený pro všechny typy sluchátek kromě náušních a vkládaných za záhyb boltce, akustický tlak je snímán na DRP, pomocí tabulek se koriguje na ERP, pokud je potřeba Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 29 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Simulátor ucha (ITU P.57 typ 3.3) • Různé tvary a tvrdosti boltce Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 30 REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY Upínací přípravky Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 31 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Reproduktorové výhybky Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 32 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Dělená reprodukce • Nelze vyrobit reproduktor, který by dokázal reprodukovat celé spektrum zvukových signálů • Je nutné použít více reproduktorů a sady kmitočtových filtrů pro rozdělení spektra zvukového signálu: • reproduktor s větším průměrem membrány pro reprodukci nízkých kmitočtů • reproduktor s malou membránou pro reprodukci vyšších kmitočtů • Řešení • samostatné reproduktory • souosé (koaxiální) reproduktory Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 33 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Souosé reproduktory a) samostatný vysokotónový reproduktor umístěný v ose hlubokotónového b) dva souosé kmitací systémy Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 35 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Souosé reproduktory hlubokotónový vysokotónový měnič měnič zvukovod uchycení membrány Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 36 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Dělená reprodukce u sluchátek membrána středobasový elektro-dynamický měnič vysokotónový piezoelektrický měnič Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 37 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Dělená reprodukce u sluchátek náušník ochranná mřížka středobasový elektro-dynamický měnič membrána tlumení tlumení UChycení nástavec magnet vnější kryt vnitřní kryt 1 prachová vložka tlumení stojatých vln magnetický obvod membrána ochranná mřížka vysokotónový elektro-dynamický měnič tlumení vibrací Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 38 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Reproduktorové výhybky • Reproduktorová výhybka je systém, jehož vstupní veličinou je budící napětí a výstupní veličinou je akustický tlak • Účel reproduktorové výhybky: rozdělení spektra signálu tak, aby každý z reproduktorů reprodukoval tu část spektra, kterou je schopen reprodukovat s nejmenším zkreslením: • filtr typu DP pro hlubokotónový reproduktor • filtr typu PP pro středotónový reproduktor • filtr typu HP pro vysokotónový reproduktor Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 39 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Reproduktorové výhybky • Výkonové (pasivní) výhybky • Nevýkonové (aktivní) výhybky vysokotónový i reproduktor horní propust dolní propust výkonová výhybka hlubokotónový reproduktor zdroj signálu vysokotónový reproduktor horní propust > zesilovač dolní propust > zesilovač A N nevýkonová výhybka hlubokotónový reproduktor Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 40 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Zapojení filtrů reproduktorové výhybky 6 dB/oct. R v R H 4 = H 2^MH 1 27ífMVRV 12 dB/oct. 7? L: v C i =F tfH -o u = R H c = i 1 18 dB/oct. c2 ^ c3 ^2 7? v C 7? H £3 C = 2 1 2 2 Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 41 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Návrh reproduktorové výhybky 1. stanovení dělicích kmitočtů 2. stanovení aproximací a strmostí filtrů 3. stanovení mezních kmitočtů filtrů 4. kompenzace impedančního průběhu reproduktoru 5. vyrovnání citlivosti reproduktorů, kompenzace kmitočtové charakteristiky 6. ochrana reproduktorů Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Rozmístění reproduktorů Zvuk musí zdánlivě vycházet ze stejného místa, nejčastější jsou ale reproduktory soustavy umístěny blízko sebe Zásady pro umístění reproduktorů: vysokotónový reproduktor musí být ve výšce uší hlubokotónový reproduktor musí být umístěn dostatečně od země co nejmenší vzdálenosti mezi reproduktory vyzařovací body reproduktorů musí ležet ve stejné rovině před výškovým reproduktorem nemá být mřížka dělicí kmitočet: výška uší - j l/U (5/4/1) f — c° 7íD D - aktivní průměr membrány >20 cm Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 43 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Vliv pozice reproduktorů na vyzařování ve vertikálním směru • Důsledek vektorového sčítání zvukových vln vyzařovaných oběma reproduktory v okolí dělicího kmitočtu výhybky Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 44 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Vliv pozice reproduktoru na vyzařování ve vertikálním směru 100 CO TD Q. l/l 90 80 70 60 50 40 20 200 2 000 \ / 1 _w ne-a 1 C _\ i r\e- a LI C _ iim la v UJC l_l v UJC 1 II J 11 IUC 20 000 /[Hz] Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 45 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Uspořádání D'Appolito • Vertikálně symetrická směrová charakteristika s nízkým zvlněním • Typické pro centrální reproduktory domácího kina Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 46 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Parametry reproduktorové soustavy Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 47 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Parametry reproduktorové soustavy • Referenční bod: bod na referenční rovině specifikovaný výrobcem Referenční (akustická) osa: může být shodná s akustickou osou výškového reproduktoru nebo je k ní blízko. • Jmenovitá impedance: hodnota odporu použitá pro výpočet příkonu zdroje signálu; nejmenší absolutní hodnota impedance v pásmu kmitočtů, pro než je soustava určena, nesmí být menší než 80% jmenovité impedance • Kmitočtová charakteristika: závislost hladiny akustického tlaku v určitém bodě před soustavou při konstantním vstupním napětí • Jmenovitý kmitočtový rozsah: výrobcem stanovený rozsah kmitočtů, pro jejichž reprodukci je soustava určena • Efektivní kmitočtový rozsah: definován pro pokles modulové kmitočtové charakteristiky soustavy o 10 dB oproti průměrné hodnotě akustického tlaku v oktávových pásmech • Kmitočtový rozsah pro definovaný pokles kmitočtové charakteristiky o výrobcem definovanou hodnotu oproti průměrné hodnotě akustického tlaku Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Parametry reproduktorové soustavy • Jmenovitý šumový příkon: efektivní hodnota příkonu simulovaného programu podle IEC 602608-1 (pásmově omezený růžový šum), který soustava vydrží bez tepelného nebo mechanického poškození po dobu 100 hodin • Krátkodobý maximální příkon: 1 sekunda bez trvalého poškození (60 opakování po 1 minutě) • Dlouhodobý maximální příkon: 1 minuta bez trvalého poškození (10 opakování po 2 minutách) • Charakteristická citlivost jj. průměrná velikost efektivní hodnoty ak. tlaku v akustické ose soustavy ve vzdálenosti 1 m od referenčního bodu při buzení růžovým šumem v kmitočtovém rozsahu soustavy. • Hladina charakteristické citlivosti - vyjádření v dB: 201og(77/2.10 5) Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Parametry reproduktorové soustavy Celkové harmonické zkreslení: poměr efektivní hodnoty akustického tlaku všech vyšších harmonických složek k efektivní hodnotě první harmonické složky při měření ve vzdálenosti 1 m při jmenovitém příkonu THD = 00 2> n=2 .100 [%] 7í/DdB=201og oo 2> n=2 [dB] Pi Pi • Harmonické zkreslení n-tého řádu: zkreslení n-tou harmonickou (2. a 3.) Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 50 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Parametry reproduktorové soustavy • Směrová charakteristika: závislost hladiny akustického tlaku na úhlu mezi spojnicí referenčního bodu a bodu měření s referenční osou soustavy • Činitel směrovosti: poměr akustického tlaku v referenční ose soustavy ve vzdálenosti 1 m k akustickému tlaku vytvořenému ve stejném místě všesměrovým zdrojem se stejným akustickým výkonem P2 Pstf • Index směrovosti (Directivity Index): vyjádření Q v dB • Vyzařovací úhel: úhel mezi akustickou osou soustavy a směrem, ve kterém klesne hodnota hladiny akustického tlaku o 10 dB oproti hladině naměřené v akustické ose • Úhel pokrytí: úhel mezi směry, ve kterých poklesne hladina akustického tlaku hlavního vyzařovacího laloku o 6 dB oproti směru s maximální hladinou Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 51 Jiři Schimmel REPRODUKTOROVÉ SOUSTAVY STUDIOVÁ TECHNIKA II Reproduktorové soustavy Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie