Sisteme Audio Componenta, Traductoare
SISTEME AUDIO: COMPONENȚĂ, TRADUCTOARE ELECTROACUSTICE.
Folosind un radiocasetofon obișnuit, mai întâi pentru a înregistra o emisiune transmisă la radio, în condiții bune de recepție și apoi pentru înregistrarea unei conversații într-un habitat optim cu ajutorul microfonului incorporat în acesta se poate observa calitatea inferioară a înregistrării proprii față de cea a programului înregistrat, folosind in ambele cazuri același aparat, cele două înregistrări fiind reproduse de același difuzor. Această deosebire atât de evidentă poate fi deci atribuită calității semnalului de intrare și a condițiilor care l-au determinat, și anume: semnalele audio înregistrate în studio au trecut printr-un proces de editare complex incluzând un radioemițător înainte de a ajunge la radiocasetofon, în timp ce semnalele captate acasă de microfon au fost întroduse direct în aparat. Analizând cele redactate, se poate trage concluzia că calitatea semnalelor audio sunt afectate în mod evident de doi factori:
1) natura mediului acustic în care este făcută înregistrarea
2) alegerea și modul de utilizare a microfonului
Microfonul trebuie considerat drept element cel mai important în întregul proces de înregistrare.
1.1 Tipuri de microfoane:
1.1.1 Microfonul cu cărbune
A fost descoperit spre sfârșitul secolului 20, fiind utilizat într-o arie largă de componente electronice, ex: telefoanele. Principiul de funcționare al acestui microfon se bazează pe variațiile presiunii pe diafragmă determinate de undele acustice producând schimbări ale rezistenței electrice din granulele de cărbune alăturate. (desen carte)
Bateria sau sursa de curent continuu polarizează granulele de cărbune iar variațiile rezistenței dintre granule produc, în înfășurarea primară a transformatorului, un curent continuu fluctuant, acesta inducând o tensiune alternativă pe înfășurarea secundară. Tensiunea alternativă rezultată corespunde formei de undă acustice ce reprezintă defapt semnalul audio.
Microfonul cu cărbune este un microfon de joasă impedanță, motiv pentru care este folosit cu preponderență în circuitele telefonice, nefiind utilizat niciodată în radiofuziune sau pentru înregistrări de radio calitate.
1.1.2 Microfonul cu cristal – există două tipuri de microfoane cu cristal. Cel dintâi funcționează pe așa numitul ,,efect piezoelectric,, la fel ca și o doză cu cristal (ceramică). Acest tip de microfon funcționeză pe baza vibrației diafragmei ce răspunde astfel undelor sonore iar aceste vibrații sunt transmise unui element numit ,,element bimorf,, acesta fiind format din două lamele de cristal, deformându-l în timpul funcționării. Această deformare mecanică produce o diferență de potețial între cele două secțiuni ale elementului bimorf, având ca rezultat final o serie schimbări alternative ale potențialului electric ce corespund vibrațiilor acustice originare dând astfel un semnal audio de curent alternativ. Microfonul de cristal, datorită costului redus de producție al acestuia, a fost utilizat în dotarea casetofoanelor și magnetofoanelor din secolul trecut. Cu toate că microfonul cu cristal are o bandă de frecvență și o impedanță mai mare față de microfonul cu cărbune, acestea nu a fost folosit niciodată pentru înregistrările cu un grad de calitate mai ridicat.
Cel de-al doilea tip de microfon cu cristal nu folosește o diafragmă și funcționeză pe baza acțiunii directe a undelor acustice asupra suprafeței cristalului. El a mai fost numit și microfon ,,celular,, putând reproduce o gamă foarte largă de frecvențe cu o fidelitate excelentă. Acest microfonul este folosit cu preponderență în laboratoare și mai puțin în studiouri deoarece produce o tensiune de ieșire destul de mică. (desen)
1.1.3 Microfonul cu bobină mobilă (microfonul electrodinamic) – acest tip de microfon este compus dintr-o bobină plasată într-un câmp magnetic intens și fixată de o diagramă confecționată dintr-un aliaj ușor. Această diagramă este compusă din două fețe, dintre care una singură este în contact aerul, având ca principiu de funcționare răspunsul la schimbările de presiune provocate de undele sonore, asemănător unui barometru care măsoară variația presiunii atmosferice. Atunci când undele acustice fac diagrama să vibreze, bobina vibrează și ea, deoarece este fixată de diagramă și taie liniile de forță magnetice, inducându-se astfel în interiorul bobinei un curent alternativ echivalent cu forma de undă a sunetului.
Microfoanele electrodinamice sunt printre primele microfoane construite, având un cost redus de fabricare iar calitatea lor este indiscutabil superioară față de cea a microfoanelor cu cristal. În prezent, acestea intră în dotarea aparaturii audio de larg consum. ,, Însă, microfoanele dinamice de o concepție mai sofisticată pot fi curent întâlnite în aplicații de radio difuziune și de înregistrare și ele sunt încă probabil, cele mai populare metode de uz general.,, [1]
Acest tip de microfon, având o construcție robustă și solidă îl face a fi foarte util pentru activitățile în aer liber, unde condițiile de lucru sunt mai ostile decât cele în spații special amenajate, de exemplu studiourile, fiind foarte utile formațiilor de muzică cât și pentru interviuri în circumstanțe și condiții de mediu dificile, acestea având capacitatea de a elimina zgomotul vântului dacă sunt dotate cu o protecție exterioară suplimentară (burete). Un alt avantaj al acestui microfon îl reprezintă captarea omnidirecțională a sunetului, deci, pentru a elimina zgmotele și perturbațiile nedorite, acesta trebuie amplasat foarte aproape de sursa de sunet.
De-a lungul timpului, aceste tipuri de microfoane au fost perfecționate și dezvoltate, producându-se o serie de modele superioare care au potețialul de a exclude sunetele venind din spate – microfoane cu caracteristică cardioidă – fiind destinate utilizării în aer liber.
Microfoanele cu bobină mobilă pot avea atât impedanță joasă cât și o impedanță ridicată, deși cele din urmă nu sunt recomandate utilizării în aplicațiile de înregistrare profesionale. O altă caracteristică generală a acestor microfoane o reprezintă costul de producție foarte scăzut, fiind recomandate utilizării pe scară largă în aplicații specifice.
1.1.4 Microfonul cu bandă
Cunoscut și sub numele de microfonul de ,,viteză,, este extrem de delicat necesitând o atenție sporită în manipularea și utilizarea lui deoarece acesta poate fi deteriorat cu ușurință dacă este supus unor șocuri mecanice dintre cele mai ușoare sau este lăsat într-un curent puternic. Din aceste motive, acesta se utilizează numai în medii special amenajate și protejate cum este un studio de înregistrări, fiind agreat de profesioniștii în domeniu, atât pentru vorbire cât și pentru muzică.
Principiul de funcționare al acestuia se bazează pe tensiune de ieșire ce provine direct de al diagragma sa ce este în formă de bandă. Această bandă este confecționată dintr-o foiță de aluminiu cu grosimea de ordinul micronilor. Pentru a avea o flexibilitate crescută, banda este modelată astfel încât să aibă niște pliuri cu rol în împiedicarea răsucirii marginilor. Cele două fețe ale benzii se află în contact cu aerul, astfel el poate măsura diferențe mici de presiune care survine în spațiul unei singure lungimi de undă – metoda gradientului de presiune sau metoda de viteză. Această bandă poate fi așezată într-un câmp magnetic constant, foarte puternic, undele acustice făcând-o să vibreze, în ea apărând o mică tensiune alternativă. Impedanța de ieșire a benzii este foarte mică (sub 1ohm) motiv pentru care acest tip de microfon conține un transformator ridicător care mărește atât impedanța cât și tensiunea de ieșire până la valori optime. Cu toate acestea, impedanța de ieșire nu depășește aproximativ 30 de ohmi.
Acest tip de microfon are un răspuns în frecvență uniform și de bandă largă, putând reproduce în mod natural sunetele recepționate. De asemenea, un alt avantaj îl reprezintă caracteristica direcțională, adică unghiul de captare al sunetului este de aproximativ 100*C atât în partea din față cât și în spate, iar sunetele nedorite care vin sub unghi de 90* față de axă, deci din lateral, pot fi atenuate cu până la 50dB dacă este poziționat corect. Costul acestui tip de microfon este relativ ridicat, motiv pentru care utilizarea acestuia este una limitată în funcție de bugetul fiecărui utilizator în parte. (desen)
1.1.5 Microfonul condensator
I se mai spune drept microfonul electrostatic iar funcționarea sa nu se bazează pe inducția electromagnetică ca în cazul microfonului cu bandă și a microfonului cu electrodinamic.
Funcționarea acestui tip de microfon constă într-o diagramă flexibilă, extrem de ușoară ce este montată în fața unei plăci sau armături rigide, funcționarea sa bazându-se pe schimburile de capacitate ce se produc atunci când distanța dintre diafragmă și placă se modifică datorită acțiunii undelor sonore asupra diafragmei. Placa trebuie să fie polarizată cu o tensiune continuă înaltă ce provine de la o sursă externă pentru a produce variații ce pot fi măsurabile și extrase sub forma unui semnal audio utilizabil de curent alternativ. Diagrama acestui tip de microfon este extrem de subțire și ușoară, având aproximativ circa 10 microni și o elasticitate ce îi permite să acționeze optim la o gamă largă de frecvențe audio. Aceste caracteristici fac ca acest tip de microfon să fie cel mai eficient tip construit, având rezultate notabile. Datorită faptului că variațiile de capacitate care au loc sunt extrem de mici, pentru extragerea semnalelor și îmbunătățirea răspunsului la frecvențe joase, acestui tip de microfon îi este necesar un dispozitiv auxiliar cu impedanță foarte mare și anume un tub electronic cu vid sau un transmițător cu efect de câmp, ce este amplasat în capsula microfonului. Astfel, deși în realitate are o impedanță extrem de mare, microfonul poate transmite la terminalele de ieșire o impedanță relativ joasă. În ciuda performanțelor sale ridicate, acest tip de microfon este dezavantajat de faptul că îi este necesară o sursa externă de tensiune, necesitând astfel un cost ridicat de achiziție pentru utilizatorii cu un buget limitat.
1.1.6 Microfonul condensator cu electret
Are structura, fidelitatea și caracteristicile de înaltă performanță asemănătoare cu a celui de tip condensator standard. În plus, acesta nu are nevoie de o sursă de tensiune suplimentară, el utilizând un electrod fix care este încărcat permanent cu electricitate statică ce se numește electret, păstrând în permaneță sarcina electrică și o tensiune electrostatică de 100V. Astfel, în momentul în care elementele microfonului sunt cuplate la un amplificator intern nu mai este necesară o simplă baterie pentru a putea funcționa deoarece aceasta este poziționată în carcasa microfonului, dându-i un aspect compact, robust, ușor de manipulat, păstrând totodată calitățile modelului standard. Din punct de vedere al performanței și costului scăzut acestui tip de microfon, ce a fost perfecționat și comercializat de corporația japoneză SONY, prețul de achiziție este unul accesibil în comparație cu un microfon dinamic cu bobină mobilă, fiind în prezent produs și utilizat în peste 3 milioane de asemenea dispozitive.
1.1.7 Microfonul condensator de radiofrecvență tranzistorizat
A fost conceput înainte microfonului cu electret, având o structură extrem de sofisticată, conținând elemente traductoare capacitive incluse într-un circuit cu radio frecvență. În comparație cu microfonul condensator, acest tip are o capsulă alcătuită dintr-o diagramă și o placă fixă care funcționează la impedanță joasă, cu impedanță de ieșire relativ joasă – 20ohmi. Acestui tip de microfon nu îi este necesară o tensiune înaltă de polarizare , poate fi alimentat utilizând chiar cablul care poartă semnalul audio. ,,Puterea consumată este mică, de aceea, în unele cazuri este prevăzută facilitatea de a alimenta astfel de microfoane de la amplificatorul la care este conectată ieșirea lor (amplificatorul se poate afla, de exemplu, într-un mic mixer portabil, care permite amestecarea semnalelor a două sau mai multe microfoane și combinarea lor într-un semnal unic). Microfoanele condensator de tip RF sunt capabile de performanțe înalte; însă nu sunt în nici un caz ieftine iar prețul lor relativ ridicat le poate scoate uneori din discuție când e vorba de producția sunetului în condiții de cost scăzut. " [1]
1.2 Specificațiile microfoanelor
1.2.1 Caracteteristica de directivitate
Un microfon este conceput a fi utilizat pentru a răspunde într-o formă specifică , la sunetele emise din diferite puncte ale spațiului în care se află. Unele microfoane sunt egal sensibile la sunetele ce provin din toate direcțiile, altele răspund doar la sunetele care vin doar dintr-o parte a microfonului , având o deschidere largă, de aproximativ 160* , altele, cum sunt microfoanele cu bandă, răspund înainte și înapoi, nu răspund și lateral.
Toate aceste caracteristici de directivitate diferite , sunt foarte utile și totodată foarte importante pentru utilizatori, fiind indicii cheie în amplasarea corectă a microfoanelor pentru scoaterea în evidență a sunetelor dorite și excluderea sau cel puțin atenuarea sunetelor nedorite .
Aceste caracteristici de directivitate sunt evidențiate, într-o formă mai simplă, prin trei simboluri: figura pag 146 // Fig 62 a
MICROFONUL OMNIDIRECȚIONAL – pune în evidență un microfon sensibil la sunetele ce provin din toate direcțiile – microfon cu bobină mobilă și microfon condensator. Specificăm faptul că, microfonul cu bandă nu este niciodată omnidirecțional.
Unica metodă de eliminare sau reducere a sunetelor și reverberațiilor nedorite, în cazul acestor microfoane, este de a-l așeza cât mai aproape de sursa de sunet utilă, amplificând astfel nivelul sunetului dorit în raport cu sunetul de fond care trebuie eliminat. Fig 62 b
MICROFON BIDIRECȚIONAL – prezintă un simbol În formă de opt, caracteristica microfonului cu bandă fiind întotdeauna vie în față și în spate și moartă în laterale.
În condiții acustice controlate, de exemplu un studio de înregistrare, această caracteristică este foarte utilă deoarece unghiul de deschidere, atât în față cât și în spate, este suficient de larg pentru a putea înregistra patru vorbitori așezați la o masă, câte doi pe fiecare latură, față în fată, în timp ce zonele laterale moarte, atenuează reverberația, respectiv reflexiile sunetului, în condiții optime, fără a mai fi necesare amenajări speciale ale studioului.
Unele microfoane condensator de înaltă calitate au incorporate un sistem ce permite operatorului să modifice răspunsul directional. Un asemenea tip de condensator poate răspunde și ca microfon cu bandă, cu o caracteristică în formă de opt. Toate microfoanele cu caracteristică în formă de opt sau bidirecționale, au tendința să supraaccentueze frecvențele joase din vocea umană, dacă sunt poziționate la o distanță mai mică de 45 cm de gura vorbitorului, acest efect devenind și mai puternic pe masură ce distanța se reduce progresiv.
Microfoanele cu directivitate mai redusă sunt mai puțin expuse acestui efect bidirecțional și nu apare deloc la microfoanele omnidirecționale și la microfoanele cu bobină mobilă.Fig. 62c
MICROFON TIP CARDIOID SAU UNIDIRECȚIONAL – este caracteristică unui microfon care este viu în față, cu o deschidere a unui unghi de aprox. 160* și mort în spate. Situația de mort este relativă și existentă doar în cazul când nu există reflexii acustice – de exemplu o pajiste în aer liber. ,,În orice spațiu închis, sunetele emise de surse aflate în spatele microfonului cardioid sau în parțile laterale ale microfonului cu bandă sunt în mod inevitabil reflectate de pereți către laturile vii ale microfonului și din acest motiv sunetele nedorite, deși provin din zonele moarte, nu pot fi decât reduse ca intensitate, dar nu eliminate cu totul. " [1]
Dintre cele trei caracteristici fundamentale de directivitate enunțate mai sus, cea de tip cardioid sau unidirecțional poate fi cea mai utilă, deoarece poate fi utilizată în situații acustice variate, putând combate condiții nefavorabile de mediu și habitat, asigurănd totodată înregistrări optime, lipsite de zgomot sau paraziți. Totodată, utilizatorului îi este disponibilă o gama largă de microfoane unidirecționale de bună calitate, la un cost scăzut, atât cu bobină cât și cu electret.
1. Răspunsul în frecvență
Raspunsul în frecvență al celui mai bun microfon este foarte departe de curba plată optimă, pe care și-o dorește orice inginer de sunet ce ascultă semnalele de la ieșirea din microfoanele la care lucrează, pe care le plasează într-un mediu specific și le poziționează în așa fel încât să producă cel mai bun sunet posibil în circumstanțele date. Aprecierea calității sunetului este un act individual, în funcție de pregătirea și aprecierea fiecăruia în parte.
Puriștii au dreptate atunci când afirmă că ,,pentru a putea asculta rezultatul acestei judecăți – chiar dacă ea aparține altei urechi – îi este necesar un echipament care să redea sunetul originar cu maximă fidelitate. Dar nu ar mai avea dreptate dacă ar afirma că o redare plăcută a sunetului nu poate fi realizată decât cu echipament, inclusiv microfoane, având un răspuns în frecvență plat ca o clătită, de la 20Hz la 20000Hz. " [1]
Făcând un grafic al răspunsului în frecvență la majoritatea microfoanelor, similară cu o hartă a Alpilor, se poate observa că în momentul în care răspunsul se întinde dincolo de circa 13000Hz, vârfurile și văile încep a fi din ce în ce mai numeroase și mai abrupte.
Conform standardului DIN 45 500, orice abatere de la răspunsul ideal ar trebui să fie cuprinsă în limitele a 3dB în orice octavă dintre 50Hz și 12,500 Hz, ceea ce presupune că deși curba plată ar fi irealizabilă, un microfon de calitate ridicată nu trebuie să se abată de la ideal decât în mod treptat, fără vârfuri sau văi abrupte. Dacă aceste condiții ar fi îndeplinite chiar și într-o bandă limitată de frecvență, acesta va produce un sunet optim și plăcut în momentul redării.
2 . Sensibilitatea
Nivelul de ieșire al unui microfon se determină măsurănd tensiunea care apare între terminalele sale atunci cînd diafragmei i se aplică un sunet de o anumită frecvență și presiune. Rezultatul se exprima, în specificații, fie în milivolți fie, mai frecvent, în dB.
Pentru exprimarea decibelilor, există două scări – una acustică și alta electrică. La măsurarea sensibilității sau a nivelului de ieșire a microfonului, se pot folosi ambele scări de exprimare.
De exemplu, în cazul în care ,microfonul este îndreptat spre un difuzor care emite un ton pur de 1000 Hz, tonul este emis cu un nivel foarte înalt, deoarece testul cere ca tonul să ajungă la diafragma microfonului cu o presiune sonoră, măsurată, de 10 microbari, sau 94 dB SPL. Nivelul presiunii sonore SPL, se aplică scării acustice a decibelilor, pe care 0dB înseamnă un sunet abia perceptibil și deci 94 dB este foarte mult. Atunci cînd, în aceste condiții, tensiunea la ieșirea microfonului măsoară 1 volt, se spune că microfonul are o sensibilitate de 0dB, cu toate că acest nou sens al termenului 0dB se aplică, evident, scării electrice a decibelilor.
În activitatea curentă, microfoanele de joasă impedantă pot genera tensiuni de ieșire mult mai mici decât 1 volt, sau chiar mai putin, de aproximativ 2 milivolți, ceea ce este echivalent cu -54dB sau chiar mai putin -75dB.
Sensibilitatea unui microfon este important a fi cunoscută pentru a ști dacă nivelul de ieșire este potrivit pentru amplificatorul la care este conectat microfonul, nefiind o informație elocventă asupra calității performante a microfonului. De exemplu, un microfon cu o sensibilitate ridicată, conectat la un amplificator proiectat pentru un microfon cu bandă, poate genera distorsiuni de suprasarcină, excepție făcând cazul când circuitul de intrare corespunzător microfonului are incorporat un atenuator pentru reducerea cu 20dB a sensibilității intrării amplificatorului.
3. Impedanța și nivelul de ieșire
Exista o relație importantă între impedanța de ieșire a unui microfon și nivelul său de ieșire sau sensibilitatea sa. Cu cât impedanța de ieșire este mai mare, cu atât este mai ridicat nivelul său de ieșire. Datorită acestei relații, nu este nevoie să se folosească un circuit de ieșire cu impedanță multiplă pentru obținerea unei adaptări satisfăcătoare, deoarece microfonul poate fi conectat fără efecte negative la intrarea unui amplificator cu impedanță ceva mai mare, obținându-se un rezultat optim.
Cunoscând acest principiu, se poate obține un nivel optim de ieșire pentru un microfon destinat a fi folosit împreună cu un aparat de tipul magnetofon portabil sau alte surse audio. ,,De exemplu, un microfon cu impedanța de 600 ohmi și cu sensibilitatea de 50 dB poate da la ieșire un nivel de numai 60 dB dacă se reduce impedanța de ieșire a microfonului la 50 ohmi. În anumite circumstanțe aceasta poate cea mai bună metodă de prevenire a distorsiunilor de suprasarcină din amplificatorul care urmează, fără să mai fie nevoie să se introducă un atenuator rezistiv." [1]
4. Terminale de microfon simetrice și nesimetrice
Microfoanele de calitate folosite în radiodifuziune pot fi construite atât cu terminale de ieșire "simetrice" cât și cu terminate "nesimetrice", necesitatea clientului fiind cea care va decide ce model de microfon va fi utilizat în aplicația respectivă.
Microfonul „simetric” este compus din trei fire conductoare, dintre care două de semnal având o cămașă de ecranare, fiind conectată la „pământ” în timp ce microfoanele „nesimetrice” au în compunere doar două fire: un fir „cald” și o cămașă exterioară legată la „pământ”. După cum a fost prezentat mai sus, se pare că alegerea profesioniștilor înclină balanța spre cablul „simetric” deoarece acesta poate rejecta mult mai bine interferența produsă de sursele electrice exterioare. Însă, în afară de metoda de conectare, nu putem afirma că ar exista diferențe majore între varianta „simetrică” și cea „nesimetrică”. Astfel, cele mai întâlnite microfoane de larg consum sunt de tipul „nesimetric” , deci în cazul unor bugete limitate este preferat acest tip.
Este posibil, ca în unele cazuri, alegerea firmei să fie cea care dictează alegerea făcută, deoarece microfoanele de tip „simetric” pot fi foarte ușor transformate în microfoane nesimetrice, prin simpla conectare a unuia dintre cele două conductoare de semnal la cămașa-ecran, realizându-se astfel o legătură în care unul din firele de semnal este pus la „pământ” sau la „masă”. Există însă o regulă general utilă: legarea la „masă” a firului neutru de semnal, care de regulă are o culoare diferită de roșu, lăsând întotdeauna firul roșu ca fiind fir „cald”. Afirm asta deoarece în cazul folosirii mai multor microfoane, este important să ne asigurăm că toate ieșirile sunt conectate „în fază”, fiind mult mai ușor de realizat o legătură corectă atunci când firul roșu este întotdeauna considerat fir „cald” de semnal.
Nivelul de zgomot
În momentul în care microfoanelor le sunt aplicate termenul de „nivel de zgomot” nu se face referire la raportul „semnal / zgomot”, chiar dacă principiul este asemănător. Zgomotul, ca o definiție de ansamblu, este valoarea măsurată a tensiunii de ieșire ce este generată de microfon în momentul când nu există nicio formă de energie care să activeze diafragma. Tensiunea aceasta de ieșire se exprimă în decibeli, pe scara acustică denumită SPL – Sound Pressure Level. „Valoarea zgomotului propriu este de obicei cam 30dB SPL; însă nivelul de zgomot poate fi exprimat, în specificații, ca diferența dintre valoarea zgomotului propriu (30 dB SPL) și nivelul standard de referință la intrarea de 10 microbari, sau 94dB SPL, rezultatul fiind 64 dB. Valoarea zgomotului propriu trebuie să fie, bineînțeles, cât mai mică posibil, și cu cât e mai mare diferența dintre această valoare și nivelul de referință de 94 dB SPL, cu atât microfonul e mai bun.” [1]
Presiunea acustică maximă de intrare
În componența microfoanelor condensator de tip convențional sau cu „electret” este incorporat un amplificator, numit de regulă „preamplificator”. Acesta este închis în carcasa microfonului și are ca principal rol transformarea impedanței mare de intrare a sistemului într-o impedanță mică. Dar ca orice amplificator, acesta este expus distorsiunilor de „suprasarcină” dacă este saturat cu un semnal de intrare de amplitudine excesivă, astfel încât microfoanele condensator pot distorsiona forma de undă acustică în momentul supunerii acestora la presiuni acustice foarte mari. „Presiunea acustică maximă permisă la intrarea unui microfon se exprimă tot pe scara acustică a decibelilor (SPL) iar valoarea exprimă maximumul admis pentru ca distorsiunea să nu depășească o anumită valoare specificată în procente – de obicei 1%. Cu cît valoarea SPL e mai mare, cu atît este mai mare intensitatea sonoră admisibilă la care poate fi expus microfonul fără ca distorsiunile să devină apreciabile.” [1]
În tehnica modernă actuală, utilizarea microfoanelor se cere a se face în apropierea unor surse sonore de foarte mare intensitate, în special în cazul unor concerte în aer liber. Cu toate acestea, perfecționările tehnologice la care a fost supus microfonul în ultima perioadă permit ca presiunile sonore maxime să se ridice până la pragul de 150 dB SPL, acesta fiind o realizare remarcabilă.
Dinamica
De regulă, dinamica unui microfon este exprimată in dB, în special în cataloagele de profil. Această valoare reprezintă raportul dintre nivelul presiunii sonore maxime aplicabile și nivelul zgomotului propriu. Cu cât avem o valoare mai mare, cu atât domeniul cuprins între sunetul cel mai slab și sunetul cel mai puternic este mai larg. Când facem referire la sunetul cel mai puternic captat de microfon, înțelegem sunetul pe care microfonul le poate prelua fără interferențe datorate zgomotului, la limita inferioară, și fără distorsiuni la limita superioară.
INCINTE
1. INTRODUCERE
Incintele acustice reprezintă un element esențial în orice sistem audio, având forme și mărimi diferite, incorporând diferite materiale composite, porturi, izolații acustice, diferite filtre și chiar amplificatoare.
Rolul principal al incintelor acustice este acela de prevenire a întâlnirii undelor sonore generate de fața conului unui difuzor cu undele produse de spatele acestuia. Pentru că frecvențele generate de partea din față și partea din spate a unui difuzor sunt în fază inversă una față de alta, orice interacțiune a acestor frecvențe în mediul de ascultare va crea o distorsiune a frecvenței originale ce se dorea a fi reprodusă. În plus, aceste două frecvențe vor parcuge diferit spațiul din încăperea de ascultare, ajungând în final la poziția ascultătorului cu o întârziere sesizabilă, creându-se astfel ecoul și fenomenul numit reverb, care influențează în mod negativ audiția.
O incintă acustică are, de asemenea, rol în gestionarea vibrațiilor produse de conul unui difuzor ce se propagă în interiorul acesteia, a maselor de aer dislocate de difuzor, căldura ce o emană bobina difuzorului sau amplificatorul instalat în incintă.
În 1920, în momentul apariției primelor difuzoare cu con de hârtie a început să se pună mai mult accent pe construcția incintelor acustice, ulterior fiind constatat faptul că o incintă joacă un rol foarte important în modul de reproducere a frecvențelor joase. Până în anul 1950 nu s-au folosit mai deloc incintele închise, axându-se mai mult pe incintele cu port exterior. Acest lucru s-a făcut din mai multe motive, unul din ele fiind o racire mai bună a aparaturii electronice montate în interiorul incintelor la acea vreme, cum ar fi filtrele și amplificatoarele audio.
2. DESPRE INCINTELE ACUSTICE
Incintele acustice proiectate pentru woofere și subwoofere trebuie să dea randament în aria de frecvență cuprinsă între 20 și 200Hz folosind materiale specifice, cu o rezistență crescută la vibrații. Designerii și proiectanții de incinte acustice trebuie să aibă în vedere numeroase aspecte atunci când încep proiectarea unei incinte, cum ar fi limitarea excursiei unui difuzor pentru a rămane în parametrii în care acesta este eficient, răspunsul liniar în frecvență, eficiența, distorsiunile, poziționarea filtrelor și a difuzorului, acordajul și dimensiunile încintei acustice, luându-se de asemenea în calcul reflecțiile undelor sonore, ce sunt produse de spatele conului difuzorului, la întânirea colțurilor și extremităților incintei.
Dacă difuzorul ar funcționa liber în spațiul înconjurător, se va observa că el tinde să redea într-o măsură insuficientă frecvențele joase. Acest fenomen este datorat unei egalizări parțiale a presiunii în vecinătatea membranei, astfel încât undele acustice generate sunt slăbite ca intensitate. Astfel, se presupune că membrana se deplasează spre înainte. Astfel, prin această mișcare, membrana mărește presiunea în fața ei și creează o depresiune sau o presiune scăzută în spatele ei, aerul deplasându-se spre înainte. Suprapresiunea creată în față ar trebui să se propage spre drepta, însă depresiunea din spate „aspiră” aerul din față, care tinde să ocolească marginile conului trecând astfel din față spre spate. La înversarea polarității tensiunii aplicate difuzorului, situația se va înversa: se va crea o suprapresiune în spatele conului difuzorului și o depresiune în fața acestuia.
Luând de exemplu fața conului, constatăm că el produce în mod periodic zone alternative de suprapresiune și depresiune, aflate la o anumită distanță între ele. Pentru ca fenomenul egalizării (parțiale) a presiunii să aibă loc, este necesar ca distanța dintre o zonă de suprapresiune și depresiune vecină să nu fie mai mică decât lungimea drumului de ocolire a conului din față spre spatele lui. Cu alte cuvinte, fenomenul de egalizare are loc numai pentru frecvențele cărora le corespunde o lungime de undă minimă a sunetului în aer. Deoarece frecvența sunetului variază învers proporțional cu lungimea ei de undă, rezultă că egalizarea are loc numai pentru frecvențele mai mici decât o anumită valoare maximă. Astfel fenomenul de „scurtcircuit acustic” apare numai la frecvențe suficient de joase și face ca ele să fie slab radiate.
Pentru evitarea egalizării presiunii se urmărește împiedicarea comunicării prin aer între fața și spatele conului. Soluția constă în realizarea unui ecran acustic care poate lua una din următoarele trei forme principale: panou acustic, incintă acustică și pâlnie acustică.
Strategii moderne de realizare a incintelor
Proiectarea unei incinte acustice reprezintă defapt o problemă de optimizare în sensul că trebuie făcute anumite compromisuri între diferitele caracteristici dorite. Un lucru este sigur însă: Dat fiind faptul că aproape toate difuzoarele electroacustice prezintă probleme într-o direcție sau alta, ramâne la latitudinea proiectantului alegerea caracteristilor care prezintă importanță. De asemenea, tinând cont de faptul că utilizatorul final are toate particularitățile ascultătorului uman, considerând că orice om este departe de ascultătorul mediu pe care îl întâlnim în diferitele standarde, putem afirma că nu există o metodă corectă sau greșită de proiectare a unei incinte. Proiectantul trebuie să aibă cunoștiințe despre cât mai multe metode de realizare a incintelor acustice, urmând ca prin diferite experimente precum audiția, să determine o structură optimă din punctul său de vedere sau al utilizatorului pentru care se realizează proiectarea respectivă.
În prezent există câteva direcții clare pe care proiectanții le urmaresc, principalele caracteristici avute în vedere fiind următoarele: un răspuns liniar în frecvență, acumulare de energie minimă, minimizarea distorsiunilor de intermodulație sau modulație în frecvență, precum și o minimizare a difracției sau a calității subiective ale sunetului obținut.
a) Difuzoare electrodinamice și coerența pulsurilor – imagine tridimensională
Proiectarea are ca principal scop urmărirea și controlarea difracției, împerecherii difuzoarelor pentru obținerea întârzierilor coerente, în scopul obținerii unei calități deosebite a imaginii spațiale a surselor de sunet. Aceste proiecte se bazează pe difuzoarele electrodinamice care oferă o reproducere foarte exactă a impulsurilor, uneori chiar mai buna decât a difuzoarelor electrostatice.
Filtrele de separatie sunt de obicei de ordinul 1 (6dB/octava), mai rar de ordinul 3 (18dB/octava) sau 4 (24dB/octava).
Din punct de vedere al proiectării tipice ce urmărește coerența pulsurilor, difuzoarele trebuie controlate cu precizie, având două sau mai multe octave în afara benzii de lucru normale. În consecință sunt sacrificate capacitatea de a lucra la puteri mari cât și conținutul redus de distorsiuni de intermodulație. Controlarea caracteristicii de directivitate și a neîmperecherii difuzoarelor este destul de dificilă și necesită difuzoare de calitate, din această cauză și prețul rezultat al unui astfel de proiect este de regulă mare.
b) Difuzoare electrodinamice și răspunsul plat în frecvență
Incintele proiectate în acest mod oferă un răspuns foarte liniar în frecvență, accentul punându-se fie pe aplatizarea răspunsului pe axa difuzorului, la 1-2m, fie pe o medie a răspunsului pe o emisferă în fața difuzorului. De asemenea, o importanță deosebită se acordă identificării și eliminării rezonanțelor proprii ale cutiei incintei, datorită faptului că acestea sunt audibile chiar dacă au un nivel cu 20dB mai mic decât răspunsul la semnal.
De obicei, filtrele de separare sunt Butterworth de ordinul 3 și Linkwitz-Riley de ordinul 4 ceea ce oferă cea mai plată și mai precisă curbă de răspuns în frecvență.
Adepții acestei metode de proiectare pun un accent puternic pe o mare calitate mecanică a legăturii mecanice cu pământul, rezultând suporți cu o formă ,,exotică,, pentru incintele acustice. La proiectare, în centrul atenției se află aplatizarea răspunsului, îmbunătățirea calității difuzoarelor, controlul rezonanței incintei acustice cât și împerecherea între difuzoare, ignorându-se în schimb răspunsul la impuls, controlul difracției și parametri subiectivi cum ar fi calitatea bobinelor, condensatoarelor și a cablurilor de legătură.
c) Difuzoare electrodinamice cu control minimal.
În cadrul acestei metode, filtrele de separare sunt cât mai simple, uneori fiind reduse chiar și la un singur condensator pentru protecția difuzorului de înalte.
Componentele, mai exact difuzoarele și filtrele, sunt de cea mai mare calitate și sunt combinate cu cabluri și materiale dedicate pentru realizarea incintelor acustice. Deoarece rezonanțele difuzoarelor sunt lăsate libere și necorectate, acceptându-se un răspunsu în frecvență haotic cu vârfuri și minime numeroase, performanțele sunt în strânsă legătură cu celelalte componente ale lanțului audio.
d) Difuzoare electrodinamice de mare eficiență sau cu pâlnie;
Aceste tip de sisteme se intâlnesc de regulă la producatorii japonezi. Pâlniile au de obicei distorsiuni armonice totale (THD), distorsiuni de intermodulație și modulație in frecvență foarte mici, răspuns în frecvență relativ liniar, pante de cădere abrupte la ambele capete ale benzii de frecvență, care este relativ îngustă. În mare parte, toate sistemele cu difuzoare cu pâlnie duc la rezultate optime la utilizarea împreună cu amplificatoare cu tuburi de putere redusă.
Problemele legate de răspunsul la impuls, dispersie lină și difracție au făcut ca majoritatea proiectanților să evite difuzoarele cu pâlnie. Noile cercetări în domeniul pâlniilor au condus la o creștere a interesului pentru aceste difuzoare, aparând o noua generație de pâlnii, după unele păreri fiind net superioare celor electrostatice.
e) Difuzoare electrostatice planare
Cele mai bune difuzoare electrostatice oferă cea mai liniară și uniformă mișcare a diafragmei dintre toate tipurile de difuzoare. De asemenea, acestea au distorsiuni de intermodulație reduse și un potențial pentru un răspuns foarte bun la impuls.
Dezavantajele principale ale acestor difuzoare ar fi o eficiență foarte scăzută, dată de curbarea câmpului electric determinat de înalta tensiune, impedanța foarte reactivă a amplificatorului, gamă dinamica redusă, fragilitate, bas limitat și caracteristica de directivitate dependentă de încapere. Majoritatea difuzoarelor electrostatice au rezonanțe moderate sub 200Hz și rezonanțe multiple, ascuțite peste 8kHz, datorită undelor staționare dintre armăturile de înaltă tensiune.
Difuzoarele electrostatice au o reprezentare a mediilor și o adâncime a perspectivei impresionantă, răspuns în frecvență decent, imagine spațială rezonabilă și gama dinamică destul de limitată.
f) Benzi și plane electromagnetice
Benzile electromagnetice conțin o bobină mobilă din aluminiu foarte îngustă aflată în câmp magnetic. Planele magnetice reprezintă defapt plăci dintr-o peliculă de Mylar sau Kapton pe care bobina mobilă este lipită sau depusă.
Difuzoarele electrodinamice se bucură de un cuplaj magnetic crescut, inducandu-le astfel un cuplaj puternic amplificator-difuzor. Din această cauză sunt destul de sensibile la pierderile în amplificator și pe cablurile de legătură.
Planele magnetice au un cuplaj magnetic destul de scăzut, atenuarea fiind datorată în primul rând peliculei și impedanței de radiație, și mai puțin amplificatorului. Nu există o arcuire a câmpului electric de înaltă tensiune, astfel gama dinamică fiind mai mare decât a difuzoarelor electrostatice, dar eficiența și impedanța sunt mai mici decât în cazul difuzoarelor electrodinamice. Încercarea creșterii lor prin creșterea lungimii firului de aluminiu depus pe peliculă va duce inevitabil la degradarea răspunsului la impuls.
Benzile electromagnetice sunt lipsite de rezonanțele peliculei întinse, oferind un răspuns la impuls remarcabil, mișcare liniară și o bună aproximare a sursei de sunet, însă și eficiența și impedanța sunt extrem de scăzute și nu sunt utilizabile ca difuzoare de joase datorită ariei reduse. Majoritatea realizărilor practice de benzi electromagnetice utilizează un transformator coborâtor sau necesită un amplificator capabil de a controla sarcini de 0,5 .
Difuzoarele ce se bazează pe aceste principii de funcționare se situează ca performanțe între cele ale difuzoarelor electrodinamice și electrostatice. În plus, benzile electromagnetice oferă posibilitatea obținerii unora din cele mai bune frecvențe înalte, fiind superioare din acest punct de vedere difuzoarelor electrodinamice și electrostatice și depășite doar de difuzoarele fără masă.
g) Difuzoarele fără masă
Acest tip de difuzoare nu prezintă rezonanțe de nici un fel, având distorsiuni reduse, de ordinul de mărime al amplificatoarelor, răspuns foarte precis la impuls și foarte bun în frecvență (pâna la 100kHz sau mai mult).
Principiul de funcționare este destul de diferit, ceea ce le face să fie numite difuzoare exotice. Amplificatorul de putere alimentează niște tuburi cu tensiune și prin urmare, diafragma are masa aceeași ca și aerul, cuplajul fiind deci de 1:1.
În practică apare însă o problemă legată de ionizrea aerului rezultând prin obținerea ozonului ceea ce este interzis din motive medicale. O rezolvare este dată de ionizarea unui alt gaz pentru tuburi, ceea ce implică complicații practice, o astfel de realizare bazându-se pe ionizarea heliului, necesitând în schimb periodic împrospătarea rezervei de gaz stocată într-un rezervor.
În concluzie, acest tip de difuzoare este lipsit de aplicații practice în acest moment însă sunetul excepțional la frecvențe înalte l-ar putea face un concurent serios pe piața difuzoarelor de înalte.
3. CLASIFICAREA INCINTELOR ACUSTICE
Din punctul de vedere al unei clasificări generale, incintele acustice se pot contruii în următoarele variante: deschisă, închisă, antirezonantă (sau bass reflex), trece-bandă (numită și band-pass) dar și alte derivate din acestea. În funcție de aplicația în care se va folosi difuzorul pentru frecvențe joase, producătorul va alege care este cea mai potrivită incintă ascustică pentru aplicația respectivă. De regulă, cele mai răspândite incinte pentru sistemele home cinema sunt cele antirezonante datorită răspunsului mai larg în frecvență, a spațiului mai mic ocupat de acestea dar și a modului relativ simplu de proiectare și construcție, dar nu este exclus ca uni producători să opteze pentru incintele trece-bandă.
3.1 PANOUL ACUSTIC
Panoul acustic (Figura 1) reprezintă cea mai simplă soluție din punct de vedere constructiv. Acesta are ca efect lungirea drumului dintre fața și spatele conului difuzorului și trebuie să fie suficient de largi pentru a preveni anularea undei directe și a celei indirecte, micșorând astfel valoarea frecvenței sub care se produce egalizarea presiunii. Uneori se foloseste egalizare activa sau pasiva pentru a ridica nivelul basilor.Astfel, pentru un panou patrat de 2,5m lațime se obține o frecvență limitată inferior, care este încă bine redată, fiind în jurul valorii de 70Hz. Se observă astfel că, dacă se dorește redarea frecvențelor de ordinul a 20Hz spre exemplu, dimensiunile panoului devin unele imense, imposibil de implementat într-o cameră obișnuită dintr-o locuință. Alte dezavantaje notabile ar mai fi eficacitatea redusă datorită anulării survenite între unda directă și cea înversă, filtrarea pasivă sau activă pentru extensia frecvențelor joase dar și necesitatea unei poziționări atente în camera în care are loc audiția. Acestea sunt principalele motive pentru care se recurge la folosirea incintelor acustice.
Din punct de vedere al avantajelor, amintim: lipsa rezonanțelor incintei și ușurința prin care aecsta se construiește.
3.2 INCINTA DESCHISĂ
Încinta deschisă (Figura 2) ar putea fi privită ca un panou acustic având marginile îndoite spre înapoi cu difuzorul montat pe partea frontală.
Acest tip de incinta este destul de rar întâlnită. Aceasta are un raspuns în frecvență și un randament mai bun decât panoul acustic, însă dimensiunile ei rămân unele relativ mari ce nu sunt practice pentru un spațiu de locuit, astfel cel mai întâlnit tip de încintă rămâne incinta închisă.
3.3 INCINTA ÎNCHISĂ
Această incintă este cunoscută și ca sistem de suspensie acustica. În cazul incintei închise (Figura 3) este complet eliminată egalizarea presiunii, fiindcă pereții ei izolează complet spațiul din fața membranei față de cel din spatele ei. În acest caz însă, membrana trebuie să învingă rezistența masei de aer din interiorul incintei, fapt care dăunează din nou în special frecvențelor joase. De asemenea, randamentul unui difuzor montat într-o astfel de incintă fiind mai mic. În plus, s-a constatat că în cazul incintelor închise, anumite frecvențe determinate de dimensiunile acesteia formează unde staționare, care determină maxime și minime ale intensității sonore, deci o redare neliniară a graficului de frecvență. Pentru a duce la înlăturarea acestui fenomen, incintele închise trebuie căptușite la interior cu un material fonoabsorbant, precum vata, burete sau orice material spongios capabil să absoarbă undele sonore. Astfel, aceasta amortizare conduce la o scădere suplimentară a randamentului. Cu toate acestea, principalele avantaje ale incitelor închise sunt, în afară de dimensiunile ei reduse, simplitatea realizării constructive, un sunet foarte precis, toleranța bună la dimensiuni, micile erori neafectând performanțele acesteia, dar și buna reproductibilitate la scară industrială, consecință a faptului că nu necesită efectuarea unor reglaje speciale, acestea neavând nevoie de o frecvență de acordaj precum în cazul incintelor bass reflex. Ca și principale dezavantaje amintim: limitarea inferioară a benzii mai pronunțată, un nivel de sunet mai mic decât în cazul incintelor cu deschidere, fiind destul de dificil de găsit difuzoare potrivite pentru acest tip de incintă – incinta închisă necesită difuzoare cu Xmax mare.
Incinta aperiodica
Incinta aperiodica este o incintă închisă care încearcă să elibereze presiunea generata în interior. La primirea unui impuls de semnal, difuzorul de joase își deplasează membrana, producând presiune crescută și turbulențe în incintă. Acest lucru poate crea o încețoșare a răspunsului la impuls, mai ales la incintele mici cu factor de calitate mare. Incintele aperiodice utilizează de obicei găuri în spatele incintei ce sunt ulterior umplute cu materiale absorbante permițând eliminarea unei părți din presiunea interioară. Este o metodă de a face acceptabile incintele de dimensiuni mici.
3.4 INCINTA ANTIREZONANTĂ (BASS REFLEX)
Cel de-al treilea model de incinte acustice este reprezentat de incintele antirezonante (Figura 4) sau bass reflex, acestea fiind defapt niște incinte semiînchise. Față de incintele închise ele au o deschidere de dimensiuni relativ mici, prezentă de regula pe panoul pe care este montat difuzorul, dar asta nu prezintă o regulă. Datorită drumului parcurs de undele acustice în interiorul incintei, undele radiate prin deschidere au aceeași fază cu cele radiate direct de difuzor, realizându-se astfel o creștere de 4-6dB a presiunii sonore. Evident, aceasta are loc numai la o anumită frecvență, în jurul frecvenței de acordare a incintei, determinată de lungimea drumului parcurs. În practică, efectul este sesizabil într-o bandă îngustă în jurul acestei frecvențe. Astfel, printr-o dimensionare corespunzătoare și bine calculată se poate obține o lărgire a benzii de redare a difuzorului spre frecvențele joase, unde aceasta este în general deficitar.
Pentru mărirea drumului dintre membrană și deschidere se intercalează uneori mai multe șicane, formându-se un adevărat labirint. Incintele cu labirint acustic sunt însă destul de rar utilizate în prezent, deoarece acestea nu permit realizarea sistemelor multicăi și necesită efectuarea minuțioasă a unor reglaje. Ar fi de menționat faptul că incintele acustice se numesc și boxe acustice.
3.5 INCINTA CU RADIATOR PASIV
Un alt tip de incinta este incinta cu radiator pasiv (Figura 5) în care este folosit un difuzor pentru frecvențe joase conectat la un amplificator de putere și un difuzor pasiv. Acest difuzor pasiv este defapt un difuzor normal, dar fără bobină și magnet. Este doar un simplu con, care nu este atașat la nicio bobină sau circuit electric. Iar în funcție de specificațiile difuzorului pasiv se va face acordajul incintei în care a fost montat. Principiul de funcționare al acestui tip de incintă se bazează pe influența difuzorului activ conectat la amplificator asupra conului pasiv montat în aceeași incintă. Astfel, difuzorul activ va produce presiune și mișcare a aerului în interiorul incintei, iar aceasta va fi preluată direct de catre conul pasiv, excursia acestuia urmărind defapt cursa difuzorului activ.
Difuzorul pasiv ia astfel locul portului incintei, principalele avantaje fiind acelea că se poate folosi pentru incintele în care se urmărește a avea o dimensiune cât mai mică, în care amplasarea unui port nu ar fi posibilă datorită spațiului redus. Aduce de asemenea o îmbunătățire semnificativă în reproducerea frecvențelor joase și sunt folosite pentru a elimina turbulențele ce se creează la captele portului. Astfel se reduce compresia cauzată de mișcarea fluxului de aer cu viteză mare prin porturile foarte mici.
Modul prin care un radiator pasiv va influența frecvența de acordaj al incintei în care a fost instalat se realizează prin însăși construcția lui. Astfel, difuzoarele pasive determină direct acordajul prin masa conului, materialele din care acesta este fabricat și de rigiditatea acestuia. Greutatea conului unui radiator pasiv ar trebui să fie aproximativ egală cu masa aerului care ar fi umplut un eventual port ce ar fi putut fi folosit pentru acest tip de incintă.
Ca și principale dezavantaje al acestui tip de incintă cu difuzor pasiv amintim costurile de producție mai crescute și limitarea puterii difuzorului activ la un nivel care nu va distruge mecanic conul pasiv printr-o excursie mai mare decât cea pentru care difuzorul a fost proiectat să reziste.
Incinta cu linie de transmisie
Cel mai întâlnit tip de linie de transmisie utilizează o linie lungă, frântă în spatele difuzorului, de regulă având o lungime de 1-3m. Linia este în general realizată sau placată cu lemn sau cu fibră. Linia este proiectata sa aibă un sfert din lungimea de undă la frecvența de rezonanță a
sistemului. Astfel, linia realizează inversarea undei de spate a difuzorului, furnizând nivele mari și la frecvențe foarte joase. Proiectată corect, acest tip de incintă conduce la un răspuns la impuls excelent și răspuns bun la joasă frecvență.
O variantă ale acestui tip de incinta este supraumplerea liniei pentru a absorbi virtual toată unda de spate. Această abordare este utilizată pentru unele sisteme cu bandă medie-joasă și medie deoarece conduce la claritate și la un răspuns la impuls deosebit. În schimb, nu este recomandată pentru sisteme ce urmăresc reproducerea frecvențelor foarte joase. Din punct de vedere al avantajelor amintim posibilitatea reproducerii cu o acuratețe crescută a frecvențelor joase și a performanțelor tranzitorii foarte bune. Dezvantajele principale sunt date de dimensiunile fizice destul de mari, o dificultate sporită în ceea ce privește proiectarea și construcția acestora dar și nivele de putere mai mici decât în cazul incintelor cu deschidere.
3.6 INCINTA TRECE-BANDĂ (BAND-PASS)
Un alt tip de incintă ce s-a născut ca o combinație a incintelor închise și a celor bass reflex, numite incinte trece-bandă sau band-pass (Figura 6). Încintele de tip trece-bandă se împart în două categorii: incinte trece-bandă de ordin 4 și de ordin 6.
Figura 6.6.
Figura 6.5.
Prima categorie de incinte trece-bandă, cele de ordin 4 optează pentru instalarea difuzorului astfel: încinta din spatele conului difuzorului va fi o incintă închisă, iar incinta din partea din față a conului va fi o incintă antirezonantă. Acest tip de incintă va modifica frecvența de rezonanță a difuzorului. În termeni generali, cea mai simplă formă de construcție al acestui tip de incintă acustică este formată din două incinte, una închisă și una antirezonantă, separate de o placă de lemn pe care este montat difuzorul de frecvențe joase.
În cazul incintelor trece-bandă de ordin 6 (Figura 7), construcția este asemănătoare cu cele de ordin 4, singura diferență constând în existența a două incinte, însă ambele fiind încinte antirezonante.
Acest tip de incintă se consideră a fi una greu de realizat, în care parametrii difuzorului reprezintă un aspect foarte important în construcția și proiectarea lor. De asemenea, locul portului poate fi luat de un difuzor pasiv, în funcție de preferințele și utilizarea incintei acustice.
Ținând cont de toate cele precizate, se pare că incintele band-pass sunt considerate a fi unele complicate de construit și trebuie proiectate cu foarte mare precizie pentru a se atinge scopul pentru care aceasta a fost gândită.
Incinte cu sarcină izobară
Incintele acustice cu sarcină izobară utilizează două difuzoare, unul montat în incintă, celălalt montat astfel încât să radieze unda sonoră în exterior. Între cele două difuzoare există un mic volum de aer care de obicei va fi închis ermetic. Sistemul se comportă ca fiind prevăzut cu un singur difuzor cu masă dublă, coeficientul volumului fiind la jumatate, ceilalți parametri rămânând practic neschimbați. Diferitele configurații posibile sunt prezentate în figurile de mai jos:
a) față în față b) cascadă c) anti-paralel d) planară
Figura X
Toate incintele cu sarcină izobarică prezintă un dezavantaj major, în sensul că necesită
utilizarea a două difuzoare identice, ceea ce va crește destul de mult prețul sistemului. În plus, masa mai mare și volumul considerabil mai mic al incintei fac ca aceste sisteme să fie mai puțin eficiente decât cele echipate cu un singur difuzor. Aceste sisteme sunt totuși utilizate deoarece oferă totuși unele avantaje: incinta rezultată poate avea un volum ceva mai mic iar puterea electrică ce poate fi vehiculată va fi de două ori mai mare. De asemenea, conectând electric anti-paralel cele două difuzoare la amplificator, vom forța cele două membrane să se deplaseze în același sens, ceea ce va face ca una dintre membrane să se miște spre fața difuzorului iar cealaltă spre spate. Acest fenomen va avea ca efect principal anularea neliniarităților mecanice inerente ale difuzorului, deoarece membrana nu este perfect rigidă și deci se deformează când se deplasează.
Prima configurație aparută cu acest tip de incinte a fost cea față în față (figura 6.8.a) care oferă toate avantajele descrise mai sus, singurul dezavantaj fiind unul de ordin estetic: unul dintre difuzoare apare plasat invers în fața incintei. Pentru îmbunătățirea aspectului se pot folosi și celelalte configurații, renunțându-se însă la unele din avantale sarcinii izobare.
Astfel configurația în cascadă (figura 6.8.b) are dezavantajul unei mase de aer ceva mai mari între cele două difuzoare, ceea ce reduce cuplajul dintre difuzoare, mărind astfel volumul total al incintei. Difuzoarele își vor mișca membranele în aceeași direcție astfel încât neliniaritățile mecanice nu mai sunt anulate. În plus, unul dintre difuzoare are magnetul și bobina mobilă în interiorul unei cavități de volum mic, disiparea puterii electrice ducând astfel la încălzirea mai accentuată a acestuia din urmă, provocând o abatere și mai accentuată de la funcționarea complementară dorită.
Configurația antiparalel (figura 6.8.c) prezintă același dezavantaj al volumului crescut de aer dintre cele două difuzoare. În plus, ambele difuzoare disipă puterea electrică în același volum mic, puterea maximă fiind astfel redusă în două moduri: datorită ineficienței evacuării căldurii și datorită micșorării excursiei maxime din cauza dilatării aerului din interior.
Configurația planară (figura 6.8.d) are același dezavantaj: cel al volumului suplimentar de aer dintre difuzoare, însă prezintă toate celelalte avantaje.
Este important să se realizeze conexiunea electrică anti-paralel la sursa de semnal electric pentru toate configurațiile, exceptând-o pe cea în cascadă, pentru obținerea funcționării corecte.
4. CONCLUZIE
Ținând cont de tot ce a fost amintit mai sus, putem afirma că incintele acustice reprezintă un element esențial, obligatoriu și foarte important în construcția oricărui sistem audio, fie că vorbim de sistemele audio home cinema sau de sistemele audio pentru autoturisme. Un lucru este cert: încintele acustice au o importanță la fel de mare precum difuzoarele ce vor fi montate în acestea și nu trebuie făcut niciodată rabat de la proiectarea și construcția acestora.
Front Loaded Horn
Acest tip de incinta a fost proiectata ca fiind o incinta inchisa ce are legatura cu o deschidere evazata ce reprezinta defapt un sfert din lungimea de unda a celei mai joase frecvente ce se vrea a fi reprodusa. Aceasta incinta are o sensibilitate net superioara tuturor tipurilor de incinte amintite mai devreme, in detrimentul unui volum mai mare. Acest de incinta va da rezultate optime atunci cand va fi proiectata pentru un numar de minim 2 difuzoare de frecvente joase, obtinandu-se astfel un raspuns in frecventa mult mai liniar decat in cazul utilizarii unui singur tip de incinta. Per ansamblu, performanta acestui tip de incinta va fi determinata in mod direct de proiectarea si contructia deschiderii evazate, lungimea si diametrul deschiderii acesteia. Horn-urile sunt proiectate avand un design simplu si rolul lor principal este acela de a reduce spatiul ocupat. Acest tip de incinte pot produce foarte usor o excursie exagerata a difuzorului asa ca proiectarea si modul de executare al acestora este un factor extrem de important.
Ca si principale avantaje putem sublinia sensibilitatea mult mai mare decat in cazul incintelor inchise, antirezonante sau trece-banda, aceasta putand obtine o crestese de la 5 pana la 10dB sensibilitate, insemnand ca se poate obtine o performanta dubla cu acelasi numar de difuzoare. Datorita design-ului unic, armorica distorsiunilor este simtitor atenuata de catre evazare, cu o pierdere a liniaritatii raspunsului în frecvență peste valoarea de 150Hz, însă cu un răspuns liniar foarte curat, lipsit de distorsiuni până în jurul valorii de 150Hz.
Principalul dezavantaj major al acestui tip de incintă îl reprezintă imposibilitatea utilizării a unui difuzor de dimensiune mare deoarece dimensiunea acestuia este in legătură directă cu deschiderea evazată a incintei. Astfel, montarea unui difuzor de dimensiune mare, de 38cm spre exemplu, va atrage după el necesitatea proiectării unei deschideri evazate foarte mari, incinta devenind una nepractică pentru aplicația dorită, atingându-se niște dimensiuri mult prea mari. De asemenea, pe lista dezavantajelor putem adăuga faptul că această incintă este cu mult mai dificil de proiectat și construit decât restul incintelor amintite mai sus. De asemenea, timpul de execuție și construcție este unul mult mai mare, iar riscul de a greși este unul mult mai mare datorită calculelor exacte ce trebuie efectuate în proiectarea acesteia.
Tapped Horn
Incintele de tip Tapped Horn au un design asemănător cu incintele de tip Front Loaded Horn. Diferă însă de acestea prin modul de montare al difuzorului pentru frecvențe joase. Astfel, în locul unei incinte închise, difuzorul va fi montat aproape de deschiderea portului, într-o incintă deschisă. Acest tip de incită poate obține un răspuns în frecvență mult mai liniar cu doar un singur difuzor, dar tinde să nu exceleze pe frecvențele foarte joase. În general, acest lucru conduce la obținerea unei incinte cu dimensiuni ceva mai mici decât în cazul încintelor Front Loaded Horn însă cu o lățime de bandă ceva mai mică.
Principalul avantaj al acestui tip de incintă este posibilitatea utilizării unor difuzoare de dimensiuni mai mari decât în cazul FLH-urilor, fără a atinge niște dimensiuni prea mari pentru a deveni nepractice. Din punct de vedere al dezavantajelor acestui tip de incintă trebuie amintit riscul mult mai mare de distrugere a difuzorului prin depășirea limitelor mecanice de excursie ale acestuia. Acest lucru se datorează montării difuzorului într-o incintă parțial deschisă în care acesta nu poate fi controlat la fel de bine precum în cazul încintelor închise, apărând astfel distorsiunile. Pentru a rezolva această problemă, acest tip de incintă este recomandată exclusiv pentru difuzoarele proiectate să reziste la o excursie mărită a conului, de peste 30-40mm. Însă difuzoarele de frecvențe joase capabila să reziste la Diferența dintre un difuzor normal de frecvențe joase (CT Sounds) și unul care rezistă la o excursie mărită de până la 80mm. (Sundown ZV4) excusie maximă de peste 40mm până la 80mm sunt extrem de scumpe, acesta fiind principalul motiv pentru care acest tip de incintă este unul extrem de rar întânit.
În poza de mai sus se poate observa cu ușurință diferenț majoră dintre un difuzor normal de frecvențe joase (stânga) și unul proiectat special pentru un răspuns mai bun pe gama de frecvențe joase, chiar sub 20Hz, limita inferioară de percepție pentru urechea umană, acest difuzor fiind capabil de o excursie maximă de până la 80mm fără a exista riscul de distrugere mecanică a acestuia. Acest lucru se realizeaza printr-un mod unic de proiectare al șasiului acestui difuzor, având un magnet semnificativ mai mare decât un difuzor normal pentru frecvențe joase, dar și o suspensie mult mai pronunțată care să permită o mișcare mult mai amplă a conului difuzorului.
DIFUZORUL ELECTRODINAMIC
Difuzorul este un traductor electrodinamic care are ca principiu de funcționare transformarea energiei electrice în energie acustică. Dintre toate modelele de difuzoare electrodinamice, acesta este cel mai întâlnit. Din punct de vedere schematic, construcția difuzorului electrodinamic arată astfel:
În schema prezentată se pot distinge: membrana suspendată la bază și la vârf, bobina mobilă cuplată cu membrana la vârful acesteia, circuitul magnetic alcătuit din trei piese polare, șasiu și un magnet.
Elementul radiant (membrana) se poate compara cu un piston circular, având raza egală cu raza bazei conului membranei. În acest caz presiunea acustică radiată este rezistența acustică de radiație.
MARIMI CARACTERISTICE DIFUZOARELOR.
De regulă, difuzorul constituie sarcina unui amplificator de putere și creează un câmp acustic. Problema randamentului este pe primul plan, în sensul că difuzorul trebuie să transforme în putere acustică o cantitate cât mai mare din puterea electrică absorbită. Aceste puteri depind în mod direct de frecvență iar randamentul nu ar avea o singură valoare. Tocmai din acest motiv randamentul se raportează la o putere electrică de referință disponibilă. În practică, randamentul unui difuzor variază între 0,3% și 3%.
Alte mărimi care caracterizează un difuzor sunt următoarele:
– tensiunea de intrare maximă admisă este limitată de elongația maximă suportată de sistem, fără a se deterioara și de capacitatea dispozitivului electromagnetic de a disipa căldura degajată datorită pierderilor. Înainte de a se distruge însă elongația este limitată de efectul neliniarității deplasărilor asupra distorsiunilor.
– Puterea nominală (Pn) – reprezintă valoarea puterii aparente aplicată unui difuzor pentru care acesta nu se distruge și nu depășește un coeficient de distorsiuni admis, 3% spre exemplu.
– Banda de trecere – reprezintă domeniul de frecvență dintre limita inferioară și cea superioară în care răspunsul are o neuniformitate de 10dB față de cel de referintă din zona mediană, calculat ca media răspunsurilor pe o octavă, nefiind luate în considerare vârfurile și minimele înguste sub o optime de octavă.
– Impedanța nominală Zn este valoarea rezistenței puse care trebuie să înlocuiască difuzorul pentru a putea determina puterea nominală furnizată de sursă. În practică se consideră valoare medie a impedanței în domeniul de frecvență nominal.
– Eficacitatea caracteristică: este presiunea acustică pe axe ce este creată de un difuzor la distanța de 1m în condițiile în care difuzorul este montat pe un ecran limitat si excitat cu un zgomot roz a cărui tensiune corespunde unei puteri de 1W pe impedanța nominală.
Se mai pot defini:
– eficacitatea relativă – reprezintă raportul dintre presiunea execitată de difuzor la o anumită distanță și valoarea efectivă a tensiunii electrice aplicate la bornele difuzorului.
– Eficacitatea absolută – raportul dintre presiunea pe axa creată de difuzor și rădăcina pătratică a puterii electrice aparente absorbite.
– Frecvența de rezonanță a sistemului mecanic mobil.
– Date specifice de gabarit, care exprimă diverse dimensiuni geometrice ale difuzorului.
Curba de răspuns a presiunii acustice a unui difuzor ce se regăsește în fișa dată de constructor trebuie măsurată în următoarele condiții:
– trebuie respectată legea de creștere a presiunii inverse proporțional cu distanța – condiția de câmp liber.
– distanța de măsură dintre microfon și difuzor trebuie să fie de minim 0,5 metri. Daca diametrul difuzorului depășește 0,25m, atunci această distanță se va lua mai mare, conform legii câmpului îndepărtat.
– puterea aplicată difuzorului să fie de 1/10 din puterea nominală;
– difuzorul trebuie montat pe un ecran limitat, cu dimensiunea recomandată de 135x165cm (Figura)
INDICAȚII PENTRU ALEGEREA COMPONENTELOR
În cadrul acestui capitol vom urmării prezentarea unor idei care vor ajuta utilizatorul în alegerea tipului de difuzoare, a tipului de incintă și a altor particularități constructive, pentru obținerea unor traductoare sonore de înaltă calitate.
PROBLEME ÎNTÂLNITE ÎN PROIECTAREA INCINTELOR ȘI DIFUZOARELOR.
Câteva probleme cu care se confruntă realizatorii incintelor acustice sunt următoarele:
a) Încintele stereofonice realizate cu două difuzoare au atins pragul limită din punct de vedere al posibilităților lor în legătură cu producerea fronturilor acustice, producând astfel imagini instabile ale surselor de sunet de mici dimensiuni. Acest lucru produce probleme în audiție pentru mulți oameni deoarece imaginea virtuală este instabilă în legătură cu poziția ascultătorului, distribuția spectrală de energie și caracteristicile camerei. Până și o simplă imagine mono centrală suferă anumite anulări adânci între 1kHz și 4kHz, acesta fiind motivul pentru care vocea unui solist vocal sună diferit dacă provine de la un singur difuzor mono și două difuzoare stereo convenționale. Deducem astfel că un sistem stereo cu două canale necesită cel puțin trei difuzoare în fiecare incintă pentru a reprezenta calitatea tonală a surselor centrale de sunet.
b) Distorsiunile armonice, datorate intermodulației și transmodulației se combină cu rezonanțele mecanice ale difuzorului, ducând astfel la concentrarea energiei spectrale la anumite frecvențe. Există însă niște tehnici de atenuare a difuzorului, prin reducerea excursiei conului, îmbunătățindu-se astfel caracteristicile spectrale. Cu alte cuvinte, răspunsul în frecvență va fi mult mai liniar, însă nu se obține o îmbunătățire sesizabilă în ceea ce privește modurile de tăiere. În consecință, distorsiunile înguste se întind pe un domeniu mult mai larg de frecvențe, măsurarea conținutului de armonici al unui sistem fiind o problemă mai complicată decât determinarea distorsiunilor (THD). Eliminarea distorsiunilor rezonante ar presupune ca diafragma difuzorului să aibă o densitate egală cu cea a aerului și o accelerație uniformă pe întreaga suprafață la toate frecvențele, ceea ce este imposibil de realizat din punct de vedere tehnologic. În consecintă, orice difuzor va fi afectat de colorații tonale, unele permanente, altele prezenta doar la nivele joase, respectiv înalte ale semnalului electric.
c) Energia rezonantă a undelor staționare este stocată în difuzoare, incinte și camera în care are loc audiția. Energia mecanică nedorită trebuie eliminată rapid pe două căi: legături mecanice rigide, fără pierderi cu pământul, ca de exemplu o cale rigidă difuzor-incintă-suport-podea-pământ și de asemenea prin absorție în materiale amorfe cu pierderi puternice ce se traduc prin absorția undelor – nisip, plumb, sorbotan, etc. Energia care nu este absorbită este emisă încet prin fiecare parte mecanică a difuzorului, fiecare aducându-și un aport semnificativ la fidelitatea răspunsului final. În orice sistem real cu difuzoare, neținând cont de principiul de operare, există sute de astfel de unde staționare, fiecare din ele fiind emisă în exterior după întârzieri cuprinse între milisecunde și secunde. Aceste rezonanțe înrăutățesc structura muzicii și alterează tonalitatea coloristică, distorsionează sau ascund reverbetațiile din înregistrarea originală, deformează și înțețoșează imaginea stereo.
d) Caracteristicile de directivitate se schimbă semnificativ cu frecvența, schimbându-se prin salt la punctele de separare între căi la sistemele cu căi multiple. Astfel, caracteristica de directivitate este deformată și difracția întâlnită la fiecare muchie ascuțită a incintei, indiferent de tipul și dimensiunea acesteia. Difracția crează surse fantomă de sunet, întârziate și în antifază, care se combină cu sunetul direct, rezultând astfel imagini secundare ce crează un riplu semnificativ, de până la 6 dB în răspunsul la frecvențe medii și crează sunete întârziate care interferă cu defazările temporale necesare pentru perceperea imaginii stereo. În afară de problemele apărute la realizarea incintelor, difuzoarele contribuie de asemenea cu unele neliniarități. Acestea se încearcă a se elimina prin utilizarea fie a unor materiale noi, fie prin proiectare. Constructorii de difuzoare trebuie să facă astfel un compromis între uniformitatea mișcării, adică rigiditate și lipsa rezonanțelor mecanice la frecvențe medii și înalte, adică atenuare. La acest compormis major cu care constructorii se confruntă, se mai adaugă problemele legate de generarea rezonanțelor cavităților și neliniaritățile magnetice.
e) Când vorbim de mișcare uniformă ne referim în primul rând la rigiditatea difuzorului. Aceasta înseamnă că accelerațiile bobinei mobile sunt transmise precis membranei pe întreaga suprafață. Aceasta se va traduce prin răspuns plat în frecvență din punctul de vedere al utilizatorului dar și un timp de creștere mic, distorsiuni de intermodulație mici și o bună calitate a semnalului. Acest fenomen ar induce ideea realizării membranei dintr-un material cât mai rigid, de exemplu din metal sau bronz. Problemele ridicate de o astfel de realizare sunt însă evidente. Un clopot de bronz vibrează foarte mult timp după ce este lovit fiindcă singura posibilitate de eliberare a energiei mecanice este înspre aer iar cum densitățile bronzului și cele ale aerului sunt foarte diferite, rezultă astfel un cuplaj redus ceea ce duce la o atenuare foarte redusă prin radiație în aer. Acest fenomen va duce la o altă caracteristică ce trebuie urmărită în realizarea unui difuzor.
f) În cazul auto-atenuării, este de dorit ca bobina să oprească membrana în absența semnalului audio. Din nefericire însă, materialele cele mai rigide, de obicei metalele, au atenuare proprie redusă ce duce la vibrații de lungă durată traduse printr-un factor de calitate crescut. O cale de a depăși această problemă este de a extinde o porțiune de cauciuc dur peste o porțiune de membrană și prin îmbunătățirea atenuării la nivelul suspensiilor, atât cea internă cât și cea externă. În prezent, chiar si cele mai bune realizări cu Kevlar, fibră de carbon sau aluminiu au cel puțin o supracreștere cu factor de calitate mare în mijlocul domeniului de lucru, necesitând rețele separatoare cu pantă cât mai abruptă sau un filtru de rejecție sau ambele pentru a putea controla această creștere. Din nefericire, această supracreștere apare de obicei în regiunea 3kHz – 5kHz, adică exact unde urechea este cea mai sensibilă la coloratura rezonantă. Acestă problemă apare foarte des în cazul sistemelor cu două difuzoare. Dacă se micșorează frecvența de separare a filtrelor, distorsiunile de intermodulație ale difuzorului de înalte cresc puternic, rezultând distorsiuni în pe parte de frecvențe medii-înalte. Dacă se mărește frecvența de separare apare căredea datorată difuzorului de joase, rezultând un sunet agresiv la nivele medii ale semnalului și căderea totală la nivele înalte. Spre deosebire de difuzoarele cu membrană de hârtie, cele cu membrana confecționată din Kevlar, metal și fibră de carbon nu au o cădere graduală la frecvențe înalte.
O rezolvare a acestei probleme este realizarea membranei din materiale cu pierderi mari, cum ar fi hârtia întărită cu plastic, material înlocuit însă în majoritatea difuzoarelor moderne de polipropilenă. Mmebrana se auto-atenuează, pierzând progresiv energie pe măsură ce impulsul se deplasează de la bobina mobilă spre marginile membranei. Proiectarea suspensiilor este mai puțin importantă și construcția unui astfel de sistem duce la obținerea unui răspuns în general plat în bandă și permite utilizare unui filtru de separare cu o pantă de 6dB/octavă. Acest tip de membrană nu conduce însă la obținerea unor audiții bune, chiar dacă intrumentele arată în general caracteristici foarte bune și de aceea producătorii adaugă siliciu, talc sau pilitură metalică în materialul plastic, îmbunătățindu-se astfel semnificativ rigiditatea fără a pierde din capacitățile de atenuare ale polipropilenei.
g) Rezonanța cavităților deși nu pare periculoasă, bolta cu rol cu rol de protecție împotriva prafului realizează împreună cu piesa polară a magnetului o mică cavitate rezonantă care va rezona pe frecvențe cuprinse în benzile de trecere ale difuzoarelor de medii și înalte. Producătorii difuzoarelor moderne încearcă însă să rezolve această problemă în două moduri, astfel: În primul rând, se încearcă realizarea unor piese polare cu o deschidere pentru magnet de către producători mari precum Dynaudio, Scan-Speak, Vifa, Seas. În al doilea rând, se urmărește realizarea unei extensii în formă de calotă sferică pentru piesa polară a magnetului, înlocuind total bolta de protecție. POZE DE PE NET !!
h) Problema legată de neliniaritățile magnetice este generată de faptul că bobina mobilă reprezintă o inductanță cu miez feromagnetic ceea ce face ca valoarea inductanței să depindă direct de frecvență. În plus, inductanța depinde de poziția bobinei mobile în raport cu piesa polară, ceea ce va determina excursia maximă permisă pentru o comportare liniară. Variația inductanței are o importanță deosebită deoarece inductanța este un factor ce determinp frecvența superioară a difuzorului. La nivele mari de frecvențe joase va apărea o deplasare a bobinei în afara regiunii liniare a excursiei, ceea ce va produce distorsiuni de intermodulație și modulație în frecvență a semnalului sonor în întreg spectrul audio. Aceasta este o problemă obișnuită a incintelor cu 2 difuzoare sau cu 3 difuzoare care au o frecvență de separare joasă-medie de valoare scăzută. Practic, de fiecare dată când se poate vedea mișcarea difuzoarelor, ne putem aștepta la o valoare crescută a distorsiunilor amintite mai sus, cu efect sonor de scădere a rezoluției, problemă ce poate fi mascată de probleme în amplificatorul de putere. O primă soluție pentru aceastp problemă ar reprezenta-o metalizarea cu curpu a piesei polare a megnetului pentru scurtcircuitarea curenților turbionari induși în structura magnetică de bobină mobilă. Aplicarea acestei metode poate fi detectată prin analizarea valorii de catalog a inductanței bobinei mobile. Difuzoarele de joase cu inductanță mică a bibinei mobile, regulă 0,1mH, vor avea sunet mai transparent decât cele caracterizate de inductanță crescută, în jurul valorii de 0,9mH, în condițiile în care trebuie să redea simultan frecvențele joase și medii.
Valoarea inductanței bobinei mobile este importantă și dintr-un al doilea motiv: frecvența de tăiere acustică la înalte a unui difuzor este dată de combinația între căderea mecanică li căderea datorată inductanței bobinei. Se poate calcula frecvența de tăiere electrică cunoscând inductanța bobinei și rezistența de curent continuu a difuzorului. Se compară apoi această frecvență cu frecvența de tăiere acustică la înalte măsurată sau declarată de fabricant în specificațiile tehnice ale fiecărui difuzor. Difuzoarele de calitate vor avea frecvența de tăiere electrică deasupra celei acustice ceea ce arată că cele două mecanisme de tăiere: mecanic și electric nu vor interacționa prea puternic între ele. Există însă și difuzoare care au frecvența de tăiere electricp sub cea de tăiere acustică, iar acest lucru va arăta că sistemul mecanic al difuzorului are o creștere care este mascată de căderea datorată inductanței electrice a bobinei. În cazul în care apare o modificare cât de mică, fie în sistemul electric, fie în cel mecanic, rezultatul se va observa puternic prin modularea frecvențelor și a răspunsului tranzitoriu.
Materiale utilizate la realizarea membranei
1) Membrana de hârtie a fost primul material utilizat pentru realizarea membranelor și este folosit în continuare datorită bunelor sale proprietăți. Acest material reprezintă defapt o structură compozită, schimbându-și semnificativ proprietățile când este impregnată cu diferite materiale plastice. Acest materialul utilizat pentru impregnarea membranelor este un secret de fabricație a fiecărui producator în parte. Impregnarea este foarte importantă deoarece hârtia este afectată de modificări importante de-a lungul timpului sau la modificarea umidității și de asemenea, prin intermediul acestui procedeu, materialul se stabilizează și se îmbunătățește auto-atenuarea.
Ca principale avantajele amintim: nivelul auto-atenuării fiind între bun și excelent, rezoluție și detaliu excelente, răspuns în frecvență foarte plat, tăiere graduală la frecvențe înalte, adică se poate utiliza fără prea mari probleme împreună cu filtrele de separare de pantă joasă, egalizarea între game poate fi făcută cu mai mică precizie. În general, hârtia este un material care sună semnificativ mai bine decât se obține la măsurători, acesta reprezentând un avantaj major.
Din punct de vedere al dezavantajelor enumerăm: o lipsă a rigidității în comparație cu Kevlar-ul, fibra de carbon sau alte metale, deci nu va avea precizia și detaliul obținut de aceste membrane iar eficacitatea sa va fi ușor redusă. Hârtia nu este la fel de consistentă precucm materialele sintetice, ceea ce va duce la dificultăți de împerechere a două difuzoare, ceea ce poate afecta imaginea spațială a surselor de sunet, depinzând în același timp și de precizia și calitatea procesului tehnologic. De asemenea, chiar și în prezența impregnării, proprietățile se pot modifica de-a lungul timpului.
2) Membrana de bextene este defapt un material din plastic acetat obținut din celuloză, fiind întotdeauna impregnat cu un material atenuator pentru a controla prima rezonanță puternică ce apare în jurul frecvenței de 1,5kHz. Avantajele principale sunt: Consistența, parametrii fiind reproductibili, o imagine spațială bună și o rezoluție semnificativ mai mare decât în cazul altor difuzoare.
Dezavantajele majore sunt reprezentate de o eficiență foarte scăzută (85 dB/1W/1m), nevoia existenței unui filtru de rejecție puternic pentru a aplatiza banda, numeroase rezonanțe la limita superioară a benzii de lucru, tăiere cu efect neplăcut la nivele de semnal nu foarte mari și o colorație deranjantă.
Producătorii moderni de incinte consideră aceste difuzoare ca fiind depășite din punct de vedere tehnologic, nefiind pregătiți să investească într-o fitrare și egalizare complexă necesară pentru a face niște difuzoare acceptabile.
3) Difuzoare de înalte cu calotă elastică sunt difuzoarele ale căror membrană are forma unei calote sferice. Acestea au intrat în producție în anii 70 dar au fost înlocuite la apariția difuzoarelor de înalte cu calota de aluminiu și titan. În ultimul timp acest tip de difuzoare și-au făcut o întorcere spectaculoasă, concurând de la egal la egal cu difuzoarele de înalte cu calotă metalică. Aceste noi produse combină o încărcare sofisticată prin linie de transmisie în partea din spate, cu noi forme ale calotelor și noi materiale utilizate. Din punct de vedere al rezultatelor, aceste difuzoare au rezoluția și detaliul celor mai bune difuzoare cu calotă metalică, fără a prezenta însă rezonanțele caracteristice ale acestora în gama de frecvență cuprinsă între 22kHz și 27kHz.
Principalul avantaj îl reprezintă potențialul de obținere a unui răspuns extrem de plat în frecvență și un răspuns excelent la impuls, având posibilitatea obținerii unui sunet natural, deschis, fără rezonanțe obositoare.
Dezavantaje: Clasa veche de difuzoare cu calotă elastică aveau o calitate foarte slabă a sunetului, multe având o putere limită relativ scăzută și necesitau prezența unor filtre de separare cu pantă mare (18dB/octavă) pentru a minimiza distorsiunile de intermodulație. Calota cu profil înalt, necesară pentru obținerea unei rigidități suficiente, avea o dispersie de înaltă frecvență mai mică decât calotele metalice, care au profile semnificativ mai plate. Noile difuzoare cu calotă elastică nu prezintă toate aceste probleme, cu excepția dispersiei de înaltă frecvență.
Difuzoare de medii cu calota elastica
Fostele difuzoare din această clasă nu au reușit din păcate să se impună, deși răspunsul măsurat era plat iar toate emiteau un sunet obositor, bidimensional și colorat destul de ciudat. În plus, banda era restrânsă între 800Hz și 3200Hz datorită exursiei maxime liniare de numai 1-2mm. În plus calota difuzorului era mult prea moale pentru a putea vehicula puterile necesare în banda frecvențelor medii.
Dezavantaje principale: au distorsiuni mari și un sunet obositor. Necesită filtre de separare cu pantă abruptă la ambele capete ale benzii și adițional un filtru de rejecție ascuțit pentru a anula primul mod de tăiere de înaltă frecvență. Acest tip de difuzoare nu oferă nici un fel de avantaj.
Noua clasă de difuzoare de medii utilizează o membrană conică de mare precizie, având însă o boltă de dimensiuni mai mari care joacă rolul unei calote la frecvențe înalte. Aceste difuzoare au excursia liniară mult mai mare, distorsiunile mult mai mici și un răspuns în frecvență mult mai larg decât vechile difuzoare cu calotă elastică. Acest tip de difuzoare mai pot fi caracterizate de membrana conică ce poate fi construită din Kevlar, hârtie sau polipropilenă.
Membrana de polipropilena
Acest tip de material utilizat în confecționarea membranelor a fost introdus pentru a înlocuii Bextene-ul. Deoarece este un bun auto-atenuator, un difuzor cu membrana de polipropilenă poate avea un răspuns constant în frecvență în întreaga bandă de lucru fără a necesita un proces de egalizare. Polipropilena a devenit aproape universală deoarece necesită un minim de tratare manuală pentru a realiza o incintă, singura ei problemă tehnologică fiind găsirea unui adeziv care să lucreze în contact cu polipropilena.
Avantaje: Oferă un răspuns foarte plat la o proiectare atentă, colorație foarte joasă, răspuns bun la impuls, filtrele de separație pot fi foarte simple, ca de exemplu un singur condensator pentru protejarea difuzorului de înalte, eficiență bună și cădere lentă datorată membranei. Cel mai mare avantaj al acestui tip de difuzoare cu membrană de polipropilenă îl reprezintă transparența foarte asemănătoare cu cele mai bune difuzoare cu membrană de hârtie, ceea ce este un standard excelent.
Principale dezavantaje: Nu prezintă transparență la nivelul difuzoarelor cu membrana rigidă sau a celor electrostatice. Tot din această clasă, unele difuzoare de medii nu se împerechează prea bine cu difuzoarele de înalte cu calotă metalică, apărând diferențe de rezoluție ce pot fi audibile pentru un audiofil atent. Difuzoarele de joase mai mari de 10 inch se obțin mai greu în această clasă dacă polipropilena nu este suficient de groasă și întărită în același timp cu un alt material mai rigid. Difuzoarele de joase de dimensiuni medii spre mari se realizează mai bine din hârtie întărită sau din fibră de carbon.
Difuzoare de inalte cu calota metalica
Descoperirile din metalurgia germană au făcut posibilă utilizarea acestui material, permițând obținerea unor profile subțiri din titan sau aluminiu. Acest tip de difuzoare pot oferi un sunet foarte transparent, rivalizând în același timp cu cele mai bune difuzoare electrostatice. Prețul plătit este o lipsă a auto-atenuării, aluminiul din construcția acestora comportându-se mai bine decât titanul în regiunea ultrasonică. În prezent, toate difuzoarele cu calotă metalică prezintă creșteri ultrasonore semnificative între 3dB și 12dB.
Avantaje: Acțiune uniformă a pistonului până în domeniul rezonanței de înaltă frecvență, ducând la sunet de foarte bună rezoluție, transparență și un răspuns bun la impuls dacă este bine proiectat. Dispersia totodată este excelentă deoarece calotele metalice au un profil mult mai plat decât calotele elastice.
Dezavantaje: Potențiale coloraturi metalice ale sunetului, apărute din cauza intermodulației dintre rezonanța de la înaltă frecvență și sunetele din bandă. Unele modele mai vechi au putere vehiculată redusă, iar dacă sunt suprasolicitate semnificativ, distorsiunile de tăiere apar în întreaga bandă de frecvență.
Difuzoare cu membrana rigidă
Cele mai răspândite materiale utilizate sunt următoarele:
g1) Aluminiul – A fost primul material utilizat pentru membrane conice rigide. Datorită prețului mare al acestuia și a eficienței relativ reduse, nu au reușit să se impună pe piață, fiind detronate în mod evident de celelalte difuzoare cu membrană rigida.
g2) Spuma expandată – reprezintă al doilea material rigid utilizat, fiind caracterizat de o eficiență foarte mică, rezonanțe cu factor de calitate ridicat în mijlocul benzii și putere vehiculată limitată.
g3) Fibra de carbon – acest tip de difuzoare au fost introduse de producătorii japonezi în anii 80 însă în prezent se produc și în Europa, fiind astfel accesibile și pe piața europeană și americană. Aceste difuzoare au o adevărată acțiune de tip piston, răspunsuri la joase și înalte remarcabile, cât și moduri de tăiere haotice la limita superioară a benzii lor de frecvență a căror anulare necesită prezența unui filtru de separare cu pantă abruptă, împreuna cu unul sau două filtre de rejecție. În acest fel, deși este necesară o separare foarte complicată, aceste difuzoare au o calitate deosebită, fiind cele mai apropiate de conceptul de radiator direct.
g4) Kevlar – Difuzoarele acustice cu membrana de Kevlar și-au făcut apariția la mijlocul anilor 80. Putem spune că acest tip de difuzoare au o atenuare superioară, ce poate fi obținută prin introducerea unei structuri de tip fagure între două straturi de Kevlar. Din punct de vedere al acusticii, acestea prezintă un comportament haotic în regiunea de tăiere. În ultimul timp, producătorii au reușit o rezolvare aproape totală a acestei probleme, ceea ce aduce cu sine o îmbunătățire esențială în netezimea benzii și transparența sunetului.
g5) Materiale compozite – în urmă cu puțin timp a apărut o nouă tehnologie bazată pe un material numit HD-A ce reprezintă defapt un gel acrilic, având în compoziția sa un amestec controlat și ordonat de fibră de carbon și fibră de Kevlar. Primele măsuratori efectuate de producător arată o comportare remarcabilă tip piston, combinată cu rezonanțe minime la înaltă frecvență și tăiere cu pantă lină dupa acel punct. De asemenea, putem aminti și de o tehnologie rusească destul de veche de placare cu diamant evaporat ce ar putea în curând să-și facă apariția și pe piața producătorilor de difuzoare electroacustice.
Avantajele difuzoarelor cu membrana rigidă sunt date atât de o foarte bună transparență, adâncime cât și de o reprezentare remarcabilă a imaginilor sonore, egalând sau depășind-o chiar pe cea a difuzoarelor electrostatice. Cele mai bune difuzoare de tipul acesta au o eficiență mare, nivele mari de semnal primit și distorsiuni de intermodulație foarte reduse.
Dezavantaje principale: Modelele mai vechi au rezonanțe destul de supărătoare la limita superioară a benzii de lucru, absolut toate având o regiune de tăiere haotică în zona rezonanțelor de înaltă frecvență. Orice incintă care nu combină difuzoarele de Kevlar sau cele din fibră de carbon cu filtre de rejecție corect proiectate, nu pot fi considerate de calitate deoarece vârful de la înaltă frecvență nu se poate corecta cu un filtru trece jos, atingând astfel un rezultat dezamăgitor și evident în același timp pentru un ascultător atent.
Deși acest tip de difuzoare pot reproduce nivele mari de semnal, apare o cădere bruscă la depășirea gamei dinamice, rezultând astfel un efect total neașteptat și neplăcut.
Unele difuzoare cu Kevlar și fibră de carbon necesită o perioadă destul de lunga, undeva peste 100 de ore, de pre-audiție în vederea rodajului, pentru a înmuia fibrele membranei și suspensia internă.
Cap.2. CARACTERISTICILE SUNETULUI ȘI ALE ZGOMOTULUI
Proprietăți fizice ale sunetului și zgomotului
Zgomotul îl putem defini de obicei ca un sunet nedorit, fiind un subprodus al activității zilnice a societății. În termeni fizici, sunetul este vibrația mecanică a unui mediu elastic solid, lichid sau gazos, prin care energia se transmite de la sursă prin unde sonore progresive.
Perturbarea stării staționare a mediului continuu solid, lichid sau gazos, într-un punct al spațiului duce la apariția perturbațiilor undelor care se propagă de la acest punct.
Particularitățiile undelor acustice constau în aceea că particulele materiale oscilează în raport cu o poziție oarecare de echilibru, iar viteza de propagare a undei este considerabil mai mare decât viteza de oscilație a particulelor în raport cu poziția de echilibru.
În funcție de distanța dintre sursa de sunet și receptor, undele sonore se pot considera ca propagându-se sub formă de unde plane progresive sau unde sferice progresive. Sursa se consideră punctiformă sau liniară. Astfel, în aer și în gaze, viteza sunetului este definită de relația:
unde
În tabelul X se dau vitezele de propagare a sunetului în diferite medii.
Tabelul X – Vitezele de propagare a undelor longitudinale în diferite medii.
Scăderea energiei sunetului cu distanța – energia acustică se propagă în mod egal în toate direcțiile, astfel că atunci când unda se deplasează din ce în ce mai departe de sursă, energia sa este recepționată pe o suprafață mereu mai mare. În figura X este reprezentat modul de propagare în cazul unei surse punctiforme. Dacă se presupune că mediul este nedisipativ, întreaga putere P a sursei trece succesiv prin suprafețe sferice de raze din ce în ce mai mari. Intensitatea sunetului fiind puterea sursei P împărțiță la suprafața corespunzătoare a sferei, avem:
I=
În cazul unei surse punctiforme, se constată că intensitatea este invers proporționașă cu pătratul distanței dintre sursă și receptor.
O sursă liniară de sunet, poate fi o conductă prin care trece un fluid turbulent, sau poate fi formată de exemplu dintr-un număr mare de surse punctiforme, atât de apropiate una de alta încât emisiile lor pot fi considerate ca emanând de la o linie. În această categorie pot fi incluse diferite tipuri de conveiere din industrie, mijloacele de transport pe șine și autostrăzi cu trafic intens.
,,Intensiatea sunetului este invers proporțională cu distanța de la sursă, acest lucru traducându-se printr-o atenuare de 3 dB la dublarea distanței. Propagarea sunetului în aer este influențată și de alți factori cum sunt vântul și variațiile de temperatură." [97]
Efectele vântului – atmosfera se găsește într-o continuă mișcare la suprafața Pământului și este asemenea unui fluid real cu toate proprietățile fizice incluzând și vâscozitatea. Deoarece aerul este vâscos, viteza curentului la nivelul solului trebuie să fie nulă, valoarea ei crescând proporțional cu înășțimea, până ce se atinge viteza principalei mase de aer. Acest strat cu viteză variabilă poate fi de cateva sute de metri, astfel că în general poate să afecteze măsurările de zgomot.
Asfel, când o undă sonoră lovește un strat de aer care are o viteză diferită de a ei, direcția și viteza de deplasare a undelor sonore se modifică așa cum este reprezentat în construcțiile vectoriale din figura XY. Undele sonore întâlnind o infinitate de straturi limită, apare ca rezultat o refracție a lor, așa cum este evidențiat în figura XZXZ
Astfel, un observator staționar orientat cu fața spre direcția vântului va constata în spate o „întărire„ a sunetului, iar în față o zonă de intensitate redusă, respectiv o „umbră sonoră”. Atenuarea sunetului în regiunea denumită și umbră acustică poate ajunge până la 30 dB, ceea ce înseamnă foarte mult.
În urma cercetărilor experimentale efectuate, s-a arătat că depătându-ne de suprafața pământului, așa cum arată figura de mai jos, se formează o zonă de umbră care începe la o distanță de sursă ce depinde de intensitatea gradientului de temperatură. Uneori însă, gradientul de temperatură lângă suprafața pământului este pozitiv, adică temperatura crește cu înălțimea până la un anumit punct, după care revine la o rată de descreștere normala, precum în figura b)
Acest fenomen poartă numele de inversie de temperatură și duce la efecte opuse celor descrise în figura 1.10A) Undele sonore se refractă astfel spre pământ, rezultând o îtărire a intensității sunetului în vecinătatea sursei, nemaiformându-se zone de „umbră acustică”.
Nivelul sonor. Decibelul.
Întroducerea unei scări de măsură în decibeli (dB) pentru evaluarea subiectivă a tăriei sunetului se bazează pe legea fiziologică Weber-Fechner. Potrivit acesteia, senzația subiectivă este proporțională cu logaritmul zecimal al excitației dacă se atribuie nivelului de referință al intensității acustice senzația zero. Presiunea acustică cea mai joasă pe care cea mai bună ureche umană o poate percepe are valoarea de 20 milionimi de pascal sau 20µPa, care este de 5 ori mai slabă decât presiunea atmosferică normală.
Propagarea sunetului în solide
Dacă în gaze undele sonore se propagă numai sub formă de unde longitudinale, în medii solide sunetul se poate propaga sun două tipuri de unde: longitudinale și transversale. Cele două tipuri de unde se propagă în mediile solide cu viteze diferite.
Reflexia și refracția undelor sonore.
Numeroase experiențe efectuate au demonstrat că atunci când o undă întâlnește o suprafață de separație între mediul în care se propagă și un alt mediu având caracteristici acustice diferite, unda se descompune în două componente: una care pătrunde în mediul al doilea, numită și undă transmisă și alta care revine în primul mediu, numită și undă reflectată. Astfel, unda transmisă nu urmează direcția undei incidente, abătându-se de la aceasta mai mult sau mai puțin în funcție de vitezele de propagare proprii celor două medii. Acest fenomen poartă numele de refracție.
Difracția undelor sonore
Difracția undelor sonore are loc atunci când o undă sonoră întâlnește un obstacol de dimensiuni mici în comparație cu lungimea sa de undă, aceasta trecând pe lângă obstacol fără a fi perturbată. În cazul în care frecvența sunetului este suficient de mare, respectiv lungimea sa de undă suficient de mică, se produc o serie de perturbări în propagarea frontului de unde. Conform teoriei lui Huygens, o sursă sonoră poate fi considerată ca fiind formată dintr-o infinitate de surse punctiforme care acoperă suprafața sursei și care radiază energia sonoră în toate direcțiile.
Absorția undelor sonore.
Absorția undelor sonore în aer diferă în funcție de frecvența sunetului considerat, de gradul de umiditate relativă și de temperatură, fiind însoțită întotdeauna de o disipare de energie. Diferite cercetări au pus în evidență faptul că absorția undelor sonore în aer se realizează în funcție de frecvența sunetului, de gradul de umiditate relativă pentru care absorția are valoarea maximă.
Fenomenul de absorție a sunetelor se poate produce și în mediile solide.
Caracteristicile semnalelor acustice.
Sunetele sau zgomotele sunt caracterizate prin frecvență, amplitudine și fază. Cel mai simplu semnal acustic, este cel corespunzător sunetului pur, acesta fiind reprezentat printr-o curbă sinusoidală având frecvența f=1/T, unde T reprezintă perioada.
În viața de zi cu zi, sunetele pe care le întâlnim nu sunt semnale pur sinusoidale. De foarte multe ori, acestea variază în timp, atât ca frecvență cât și ca amplitudine. Deoarece nu există relații de legătură matematice simple între diversele mărimi caracteristice pentru astfel de semnale, pentru a carcateriza mărimea semnalelor complexe s-a convenit să se introducă noțiunea de densitate a amplitudinii, în loc de amplitudine. Această noțiune de densitate a amplifutdinii corespunde noțiunii de densitate a probabilității din statistică.
Mai sus am afirmat că cea mai mare parte a sunetelor întâlnite în practică au o formă de undă mai complexă decât o sinusoidă. În acest sens, Fourier a arătat că orice semnal finit, oricât de complex ar fi, poate fi privit ca o combinație a unui număr, posibil infinit, de unde sinusoidale.
În cazul unei unde pur sinusoidale, spectrul are o singură componentă. Dacă facem referire la o undă care rezultă din însumarea a două sinusoidale, una având de trei ori frecvența celeilalte, spectrul are două componente. Dacă unda este mai complexă și este dată de o „funcție crenelată”, spectrul constă dintr-un număr de linii discrete.
În practică, cea mai mare parte a zgomotelor sunt neperiodice, conținând un număr mare de componente de frecvență care nu sunt legate armonic, formând astfel un spectru continuu. (ultima fig)
Proprietatile fizice ale zgomotului
Urechea, aparatul auditiv al omului, permite perceperea sunetelor produse de diferite surse sonore, fîcând trecerea de la sunet la senzația sonoră. Urechea umană, din punct de vedere otologic, percepe sunetele având frecvențele între 16Hz și 20kHz, interval ce definește domeniul de audibilitate.
Vibrațiile cu frecvența mai mică de 16Hz definesc domeniul sub limita audibilității și se numesc infrasunete, iar cele cu frecvența mai mare de 20kHz formează domeniul peste limita audibilității și se numesc ultrasunete. Omul percepe excitațiile acustice prin intermediul analizorului auditiv, care are capacitatea de a efectua analiza precisă și sinteza sunetelor utile, de a răspunde la ele și de a proteja scoarța cerebrală de sunetele dăunătoare.
Urechea umană posedă sensibilitatea maximă în domeniul de frecvență 2000 la 6000Hz și poate percepe numai o anumită famă de presiuni acustice.
Dupa frecvență, sunetele pot fi ordonate în trei categorii:
– sunete grave, cu frecvența 16…360 Hz
– suntele medii, cu frecvența 360…1400Hz
– sunete înalte, cu frecvența între 1400..20,000Hz
Pentru ca un sunet să poată fi perceput, este necesar ca intensitatea sa sonoră să aibă o anumită valoare minimă, ce depinde de frecvența sunetelor și de sensibilitatea urechii. Limita inferioară a valorii presiunii acustice, pentru o frecvență dată, care produce o senzație auditivă percepută de un ascultător, otologic normal, se numește prag de audibilitate. Convențional ca limită inferioară a sunetului perceptibil se ia sunetul cu frecvența de 1000Hz. În cazul sunetelor cu frecvență mai mică de 1000Hz, pragul de audibilitate crește, adică la aceste sunete este necesară o intensitate sonoră mai mare, pentru ca sunetul să poată fi perceput.
În absența sunetelor parazite, pregul de audibilitate se numește absolut. În prezența zgomotelor parazite, pragul de audibilitate este mai ridicat decât cel absolut. Se spune în acest caz că zgomotul parazit joacă un rol de mascare, efectul de mascare fiind diferența dintre cele două praguri de audibilitate în decibeli.
Sunetele foarte puternice produc senzația de apăsare asupra timpanului și se transformă în durere. Acest fenomen are loc pentru sunetele a căror presiune este de la frecvența de 1000Hz. Limita superioară a audibilității sunetelor determină pragul senzației dureroase, care se definește prin valoarea presiunii acustice, pentru o anumită frecvență dată, care produce unui ascultător normal din punct de vedere otologic o senzație de durere.
Însușirea senzației auditive, dupa care sunetele pot fi ordonate pe o scară de la slab la puternic, se numește tărie a sunetului. Perceperea subiectivă a tăriei sunetului sau a zgomotului de către organul auditiv depinde nu numai de nivelul presiunii acustice, ci și de componența lui spectrală. Două sunete care au acelasi nivel al presiunii acustice, însă frecvențe diferite, sunt apreciate de ureche ca fiind de tării diferite. Primul va părea considerabil mai slab decât cel de al doilea, deoarece urechea este mai puțin sensibilă la perceperea frecvențelor joase.
Pentru estimarea cantitativă a nivelului de tărie, se aplică metoda comparării subiective a sunetului măsurat cu sunetul etalon de frecvență de 1000Hz. Astfel, nivelul presiunii acustice a unui sunet cu frecvența de 1000Hz, care are aceeași tărie cu cea a sunetului măsurarat, reprezintă nivelul de tărie al sunetului sau zgomotului respectiv. De exemplu, dacă nivelul de presiune al sunetului etalon cu frecvența de 1000Hz, având aceeasși tărie cu sunetul măsurat, va fi egal cu 70 dB, atunci nivelul de tărie al sunetului măsurat este egal cu 70 foni.
Scara nivelurilor de tărie este stabilită astfel: pentru 0 foni, s-a adoptat nivelul de tărie al sunetului etalon cu frecvența de 1000Hz, a cărui presiune acustică este egală cu presiunea de prag: = .
Nivelul de tărie al unui sunet sau zgomot este dat de relația
foni, unde f=1kHz
Deci 1 fon este nivelul de tărie al sunetului pentru care nivelul de presiune acustică a sunetului de aceeași tărie, cu frecvența de 1000Hz este egală cu 1dB. Pentru a se aprecia nivelul de presiune acutică ținând seama de caracteristica de sensibilitate a urechii umane, s-a introdus noțiunea de nivel acustic ponderat.
CAP 3 Efectele psihomecanice ale infrasunetelor asupra organismului și activității umane
În cadul acestui capitol mi-am propus să abordez problema acțiunii vibrațiilor și a frecvențelor joase denumite infrasunetelor asupra obiectelor și implicit asupra corpului uman. Am decis să aleg această tematică deoarece domeniul audio și sistemele de sonorizare sunt o pasiune personală de mai bine de 10 ani, perioadă în care am încercat să-mi fructific cunoștiințele și informațiile despre acest domeniu, pe cât de vast, pe atât de frumos și plin de secrete. Lucrarea de licența a fost momentul în care am decis că trebuie să mai fac un pas spre cunoaștere și că acum este șansa mea să aflu mai multe și să-mi conturez cunoștiințele deja acumulate până în acest moment. Astfel am ales să vorbesc despre influența infrasunetelor asupra corpului și activității umane, putând astfel să creez un sistem de îndepărtare și spargere a maselor.
4.1 Efectele infrasunetelor asupra organismului uman
Infrasunetele se găsesc peste tot în jurul nostru: în aer, în zgomotul produs de valurile mării agitate, de tunete și mai ales în timpul producerii unor cutremure, chiar și de mică magnitudine. Acestea apar de asemenea și ca rezultat al activității oamenilor, fiind uneori atât de puternice încât pot fi folosite și ca arme. Pe măsură ce infrastructura din jurul nostru se dezvoltă într-un ritm atât de alert, numărul surselor de infrasunete crește exponențial devenind un pericol real pentru oameni. Din păcate nu se poate vorbi de măsuri de protecție impotriva acestor unde de frecvență foarte joasă, deoarece acestea sunt absorbite de foarte puține materiale, motiv pentru care ele se pot răspândi la distanțe uriașe, indiferent de mediul pe care acestea îl traversează. În acest sens, astăzi sunt folosite pentru prezicerea valurilor de tip tsunami, a cutremurelor și furtunilor. „Infrasunetele sînt percepute de anumite animale: păsări și pești; dacă se stîrnește o furtună ele aud infrasunetele respective și se refugiază sau se retrag din zona respectivă. La fel, în cazul cutremurelor, unele animale percep infrasunetele însoțitoare și intră în panică, înainte ca omul să sesizeze unda seismică. ” [98]
Infrasunetele sunt recunoscute pentru efectele lor nocive asupra organismului uman cât și asupra tuturor ființelor vii, putând fi considerate o armă periculoasă, chiar letală în anumite circumstanțe, fiind suficient de puternice pentru a perturba activitatea umană. În acest sens, primele teste s-au efectuat în urmă cu mai multe decenii, când profesorul V. Gavreau, în anul 1964, din poziția de conducător al laboratorului de electroacutică al unui institut din Marsilia, a subliniat efectele nocive și periculoase produse de infrasunete, acestea putând rivaliza chiar cu armele cu cuineutroni. Pe scurt, totul a început când profesorul împreună cu echipa sa de colaboratori s-au mutat într-o clădire nouă pentru a-și desfășura activitatea, însă chiar de la primele ore de lucru în acea clădire, cu toții au experimentat dureri violente de cap, senzații de greață, amețeli, etc. După câteva zile de cercetări, acestia au constat că de vină era un ventilator uriaș al instalației de climatizare al clădirii, care se învârtea cu o viteză foarte mică, impingând aerul prin conducte cu intermitență, generând astfel infrasunete cu frecvența de aproximativ 20 de Hz. Această frecvență era la limita inferioară pe care urechea umană o poate percepe conștient, însă chiar dacă noi nu conștientizăm aceste frecvențe foarte joase, corpul nostru le simte întru-totul. Acesta a fost punctul de plecare al cercetărilor, acestia ajungând în final să construiască un „tun cu infrasunete” pe care l-au numit „tunul sonic” , capabil să emită infrasunete în banda de 19Hz, la limita audibilului, având influențe neplăcute asupra omului: organele interne au început să vibreze, producându-le dureri insportabile. La o putere aplicată de numai 100W s-au produs crăpături în pereții laboratorului unde au avut loc experimentele, apreciindu-se că la o putere ce depășește 2000W, clădirea ar fi putut fi dărâmată în totalitate.
Din acel moment, studiul asupra infrasunetelor a avansat simțitor, urmând a fi analizate efectele propagării infrasunetelor în spațiu, creându-se unde complementare, egale cu jumătate din frecvența undei purtătoare ce se formează într-un tub lung de 25 de metri din beton. Astfel, prin acționarea unui turbo propulsor în axul tubului, aceștia au reușit să producă infrasunete cu frecvențe de 3,5Hz. Însă, în urma cercetărilor efectuate, cele mai periculoase infrasunete pentru om sunt cele cuprinse între 6-7 Hz, care dacă ar fi emise cu o putere de 1 megawat, au o rază de acțiune de peste 10km. Aceste unde s-au dovedit a fi cele mai periculoase, chiar mortale în unele cazuri, din cauza apropierii de frecvența undelor alfa, unde ce sunt specifice activițății electromagnetice a creierului uman, moment în care întreaga activitate a acestuia devine imposibilă, omul supus unor astfel de frecvențe având senzația că totul în jurul lui se sparge în mii de bucăți.
Cu toate acestea, frecvența joasă nu este suficientă pentru a fi și periculoasă, deoarece în multe situații din viața reală suntem supuși acestor infrasunete produse de diferite obiecte care vibrează și totuși nimeni nu pățește nimic. Este nevoie și de un anumit prag al intensității. Astfel, infrasunetele de intensitate slabă (max. 60 dB) produc stări de greață, zgomote în urechi, înrăutățirea vederii și senzației de nesiguranță. La o intensitate medie de aproximativ 100dB este afectată activitatea creierului, a sistemului digestiv, respirația, aparatul circulator fiind dereglat de la funția normală, determinând apariția paraliziei sau chiar orbirea. La praguri ale intensității ce depășesc 130dB are loc oprirea funcționării majorității organelor corpului, ducând chiar la deces în cazurile extreme.
Așa cum am amintit, frecvența și intesitatea contează în egală măsură când vine vorba de efecte nocive asupra organismului uman. Astfel, diferite frecvențe au diferite consecințe la nivel fizic și psihic. De exemplu, la o intensitate constantă de 100 dB, frecvența de 12Hz duce la senzații asemănătoare răului de mare, în timp ce frecvențele cuprinse între 15 și 18Hz provoacă senzația de panică și frică. Nici cei care lucrează în domeniul feroviar, respectiv mecanicii de locomotivă nu sunt feriți de aceste efecte nocive ale infrasunetelor deoarece motoarele locomotivelor electrice sunt defapt generatoare uriașe de astfel de infrasunete, simțite în întregul organism uman.
Infrasunetele sunt extrem de periculoase pentru creierul uman dacă sunt aplicate la o amplitudine suficinet de mare pentru a intra în rezonanță cu organele noastre interne. De asemenea, în urma diferitelor experimente cu generatoare de infrasunete, s-au produs oscilații deosebit de puternice, având frecvența egală cu frecvența bătăilor inimii luptătorilor, provocând in mod nemijlocit stopul cardiac și implicit, moartea tuturor persoanelor din raza de acțiune a acestor unde.
Urmările pentru om sunt letale, la energii mari producându-se chiar spargerea vaselor de sânge în interiorul organismului, ruperea organelor interne, mergând până la fărâmițarea oaselor în cazurile extreme.
Efectul de mascare
Dacă sunt emise simultan mai multe sunete, unul din ele, cel mai intens, poate îngreuna sau face chiar imposibilă perceperea corectă a celorlalte. Acest efect de mascare rămâne constant pe toate perioada în care sunetele sunt emise simultan.
Fenomenul de mascare al unui sunet sau zgomot se produce atunci când acesta nu mai este perceput de ureche datorită prezenței simultane a unui alt sunet sau zgomot complex. Acest aspect este deosebit de important, omul având nevoie să fie informat asupra ambianței sonore și prin intermediul zgomotului sau sunetelor, nu numai prin cel al cuvintelor.
Zgomotul unui agregat, al unei mașini, al unui vehicul etc. reprezintă fenomene acustice utile, care trebuie să se detașeze de un fond sonor parazit pentru a putea constitui semnale sonore informative, extrem de folositoare în activitatea productivă, în care, deseori, proasta funcționare a unei mașini este sesizată de zgomotul anormal pe care îl produce. Printre factorii care influențează inteligibilitatea vorbiri putem menționa:
– caracteristicile acustice ale încăperii;
– poziția reciprocă a interlocutorilor și distanța dintre aceștia;
– caracteristicile de intensitate ale vocii;
Oboseala auditivă se caracterizează printr-o creștere temporară a pragului percepției auditive în urma expunerii la acțiunea unui zgomot intens. Modificarea temporară a pragului auditiv, este definită ca o scădere temporară a sensibilității auditive, consecutive expunerii la zgomot, reversibilă la valorile inițiale după câteva minute, ore sau zile de la încetarea expunerii.
Oboseala auditivă se accentuează în cazul măririi intensității, frecvenței și timpului de expunere la zgomot. Astfel, cu cât un sunet este mai intens, cu atât se va observa un grad mai mare de oboseală ți o persistență mai îndelungată a acesteia. S-a constatat că urechea este mai sensibilă la sunetele cu o frecvență de peste 1000Hz. În cazul oboselii auditive, la examenul audiometric se observă o creștere temporară a pragului de percepție a sunetului la frecvența de 4000Hz.
În cazul expunerii la acțiunea unor zgomote intermitente care ating o intensitate maximă într-un timp mai scurt decât timpul de reacție a mușchilor urechii medii, se consideră că oboseala auditivă este mult mai intensă.
După expunere la zgomot, revenirea audiției la normal prezintă aspectul unei curbe rapid crescătoare, iar apoi mai lente. Astfel, de exemplu, acțiunea unui zgomot alb de 100dB timp de 20 minute nu permite o recuperare totală a auzului decât după un interval de patru zile. Revenirea la normal este mult încetinită, durând chiar câteva săptămâni în cazul când oboseala auditivă depășește un deficit de 50 dB.
Oboseala auditivă este un fenomen de uzură reversibil, însă acestă reversibilitate este din ce în ce mai dificilă pe măsură ce o persoană este expusă un timp mai îndelungat acțiunii zgomotului. Are loc astfel o trecere lentă, insesizabilă, din domeniul turbulărilor funcționale în acela al modificărilor organice ilustrate de apariția surdității de percepție.
Traumatismul sonor poate surveni în urma expunerii la un zgomot intens, chiar pentru un timp foarte scurt, la un nivel de intensitate sonoră de peste 130dB, acest nivel fiind considerat pragul senzației dureroase. Zgomotelele de mare intensitate pot produce ruperea timpanului, pot disloca lanțul oscioarelor din urechea medie și pot leza organul lui Corti.
Prin expunerea la un zgomot având un nivel în jurul valorii de 160dB, este posibilă pătrunderea scăriței prin fereastra ovală și infectarea lichidului din urechea internă.
Dacă în urma unei expuneri de scurtă durată la acțiunea zgomotului intens, leziunile urechii interne sunt reversibile la început, ulterior, în caz de expunere prelungită, pot apărea modificări ireversibile, mecanismul intim de producere a acestora nefiind complet elucidat (încă).
Urechea umană posedă un mecanism de protecție, care este însă eficace numai la zgomot de intensitate redusă și la frecvențe medii sau joase. Eficacitatea sa poate fi limitată sau nulă pentru zgomote cu frecvențe înalte.
Protecția urechii împotriva zgomotului intens se realizează prin contracția mușchilor ciocanului și scăriței. În acest fel se reduce intensitatea mișcărilor oscilatorii transmise lichidului labirintic de către talpa scăriței. În cazul unor zgomote continue poate surveni, o adaptare, dar dupa circa 45 secunde mușchii oscioarelor se relaxează.
Tulburări generale datorate infrasunetelor
Numeroase cercetări făcute în acest sens menționează importanța unor modificări la nivelul întregului organism în urma agresiunii sonore. Se poate spune că dacă urechea prezintă privilegiul de a auzi zgomotul, ea nu este însă singurul organ care îl recepționează și prezintă modificări sub acțiunea acestuia.
Urechea prezintă o sensibilitate extraordinară la agresiunea sonoră, fapt care explică în mare măsură modificările cu caracter funcțional și organic care se constată în urma acțiunii zgomotului. Simptomatologia clinică caracterizată prin vâjâituri și țiuituri ale urechii, așa numitele „acufene”, ilustrează primele semne a căror etiologie este legată de stimulul sonor. Prezența cefaleei, însoșită de greață, mai ales pe fondul unei distonii neuro-vegetative, subliniază și mai mult exacerbarea unei stări de excitație greu suportabilă.
Între simptomele cele mai frecvent întâlnite, oboseala se plasează pe primul loc. Această stare de oboseală, nejustificată de alte cauze, persistă în absența oricăror alte semne clinice. Persoanele afectate mănâncă bine și dorm bine. Cu toată această stare fiziologică aproape normală, poate apare o scădere ponderală importantă, adresea rapidă, cu o etiologie imposibil de precizat în afara agresiunii sonore.
Influența zgomotului asupra activității productive.
Caracteristicile zgomotului ca intensitate, compoziție spectrală, durată, constituie factorii principali care influențează realizarea sarcinilor de rutină. Expunerea la zgomote neașteptate, intermitente, întrerupte în mod întâmplător este cea mai nocivă pentru organismul uman. În acest caz, apariția neașteptată a unui zgomot puternic de frecvență joasă poate declanșa de fiecare dată reacții de scurtă durată din partea organismului, creând dificultăți în realizarea optimă a activitățillor ce se vor a fi realizate.
Efectele infrasunetelor asupra sistemului nervos.
În aprecierea acțiunii nocive a infrasunetelor asupra sistemului nervos trebuie să se țină cont și de starea psihoafectivă a persoanei expuse agresiunii sonore, care este asociată cu senzația de neplăcere, de apariție inoportună. Efectele infrasunetelor asupra sistemului nervos sunt ilustrate prin tulburări ale somnului, tulburări vizuale, modificări în funționarea corectă a sistemului neuro-vegetativ și în sfera psihoafectivă a persoanei expusă acestei noxe.
Prezența anumitor frecvențe joase poate crea o stare obsesională, efectele acestora fiind mult amplificate, favorizând astfel apariția unor adevărate nevroze.
Simpomatologia consecutivă agresiunii sonore cu infrasunete se caracterizează printr-o stare de nervozitate, hiperexcitabilitate, tahicardie, tulburări ale somnului, insomnii, coșmaruri frecvente și bruște treziri din somn. Modificările psihoafective constau în treceri rapide de la o stare afectivă la alta, anxietate, neliniște, confuzie mintală cu halucinații auditive mai ales la persoanele care au deja o tendință spre stări paranoice.
Modificări psihofiziologice datorate acțiunii infrasunetelor asupra organismului uman
La persoanele expuse frecvent la zgomote de frecvență scăzută, s-a observat frecvent o tendință spre o stare de iritabilitate psihică cauzată de cel puțin doi factori precum oboseala fizică și necesitatea de a vorbi cu voce tare spre a fi înțeles și dificultatea de a înțelege comunicările verbale ale altor persoane. Importanța stresului produs de infrasunete este condiționată atât de caracteristicile fizice ale stimulului sonor cât și de particularitățile neuropsihice individuale ale persoanelor asupra cărora acționează agresiunea sonoră.
Tulburări ale somnului
Perturbarea somnului de către infrasunete și nu numai , este un fapt unanim recunoscut, prezența unui zgomot intens impiedicând instalarea somnului. Apariția unor zgomote neașteptate, chiar de intensitate redusă, dacă fondul sonor este aproape inexistent, favorizează întreruperea somnului. Chiar un zgomot cu o intensitate de numai 50dB poate readuce persoana care doarme, dintr-un somn profund, într-un somn superficial, rezultând o stare de oboseală accentuată. Acțiunea infrasunetelor întreține mecanismele de veghe și întârzie instalarea somnului prin creșterea cantității de adrenalină în sânge.
Influența infrasunetelor asupra sistemului circulator.
Expunerea la frecvențe joase produce o creștere a rezistenței arteriale periferice cu puls și tensiune neschimbate, însă cu un debit sistolic foarte scăzut.
Chiar un zgomot cu intensitate redusă (40 dB) poate produce o vasoconstricție a arteriolelor și capilarelor circulației periferice, care se menține tot timpul cât durează acțiunea acestuia. Chiar dacă nu este apreciat ca neplăcut și considerat că nu produce o stare de disconfort, consecințele unei expuneri de durată pot fi suficient de grave.
Tulburările circulatorii datorate acțiunii infrasunetelor pot fi reprezentate și de alte simptome: palpitații banale, extrasistole, dureri precordiale. Dacă expunerea la agresiune sonoră este foarte intensă, poate apărea hipertensiune arterială, crize de angină pectorală, leziuni miocardice.
Influența infrasunetelor asupra funcției vizuale.
Expunerea la infrasunetelor modifică puțin componența fizică a simțului reliefului, de asemenea se modifică ușor aprecierea reală a distanței. Stoparea expunerii la frecvențe joase permite revenirea completă a capacității stereoscopice la normal după aproximativ o oră. În urma cercetărilor efectuate, s-a observat că sub influența infrasunetelor apare un deficit de recunoaștere a luminilor colorate în 75% din cazurile examinate (de exemplu verdele era interpretat ca fiind alb de către subiecți), cu accent deosebit pe culoarea roșie. Agresiunea sonoră duce de asemenea la scăderea capacității vizuale nocturne. Modificările diferitelor funcțiuni vizuale datorită acțiunii infrasunetelor pot avea multiple influențe defavorabile. Astfel, perturbarea vederii stereoscopice poate influența defavorabil unele procese tehnologice în care este necesară mânuirea precisă a unor agregate și mașini-unelte.
Modificările simțului cromatic, mai ales pentru culoarea roșie, pot constitui un factor defavorabil în unele procese sau activități unde există numeroase suprafețe colorate. Scăderea capcității vizuale nocturne poate îngreuna activitatea pe timpul nopții, în zonele de umbră, discriminarea formelor obiectelor putând fi foarte dificilă.
Efectele dăunătoare ale vibrațiilor asupra corpului uman
Vibrațiile ce depășesc anumite limite au o influență negativă atât asupra sănătății omului cât și asupra eficienței în anumite activități. Organismul uman este supus acțiunii vibrațiilor când mașinile cu care se deplasează produc vibrații, precum autocamioanele, tractoarele, combine, etc., când omul se află în încăperi în care sunt în funcțiune mașini și instalații diverse sau când asupra corpului acționează nemijlocit vibrațiile de joasă frecvență produse de difuzoare, mașini vibratoare sau diferite unelte pneumatice.
Vibrațiile care acționează asupra omului și care depășesc limitele de toleranță pot produce jenarea activității fizice și intelectuale, leziuni ale unor părți ale organismului precum și diferite fenomene subiective (stări de greață, amețeală, etc.).
Acțiunea vibrațiilor asupra activității fizice și psihice a omului este puțin precizată, cunoscându-se doar că un factor important îl constituie oboseala, care la rândul ei nu permite o măsurare corespunzătoare ci o apreciere orientativă.
Fenomenele subiective despre care am amintit mai sus și care se manifestă la omul supus vibrațiilor pot apărea sub formă de grețuri, vărsături, dureri de cap, stări de amețeală combinate cu o lipsă de confort, durere și teamă. Durerile apar de obicei în regiunea abdominală în capul pieptului, se semnalizează dureri de cap, respirația este îngreunată, apărând o stare generală de neliniște.
Organismul uman, supus acțiunii vibrațiilor, le amplifică sau le amortizează conform legilor mecanicii vibrațiilor, ca orice masă elastică. În general se consideră trei trepte în aprecierea efectelor vibrațiilor și anume: pragul de percepere, de neplăcere și de intoleranță.
„Pragul de percepere a vibrațiilor de către corpul omenesc depinde de mai mulți factori și anume: de poziția acestuia, de organul solicitat, de modul de acțiune a vibrațiilor etc.” [1]
În urma unor cercetări experimentale efectuate în străinătate s-a stabilit modul în care sunt suportate de către corpul omenesc vibrațiile având frecvența între 1-100Hz. S-a pus accentul pe reacțiile fiziologice și cele vegetative, senzațiile subiective, precum și capacitatea de concentrare a celor examinați. Aprecierea acțiunii vibrațiilor a fost stabilită luându-se în considerare acțiunea simultană a amplitudinii vibrației și frecvenței, deoarece datorită maselor diferite ale părților corpului omenesc și legăturii elastice dintre acestea, unele părți ale corpului se deplasează la aceeași frecvență, dar cu amplitudini diferite. Se poate calcula un coeficient de solicitare la vibrații K, care ține seama de influența simultană a acestora, prin relațiile:
– frecvența f<5 Hz ;
– frecvența 5<f<40 Hz ;
– frecvența între 40<f<100 Hz (se măsoară în mm).
Pentru diferitele valori ale lui K sunt prezentate în tabelul X modul în care sunt percepute vibrațiile și în ce măsură acestea afectează activitatea zilnică a oamenilor. Din multitudinea de situații în care vibrațiile acționează asupra omului, prezintă interes cazul când anumite părți ale corpului omenesc sunt supuse acțiunii directe a vibrațiilor care se află la limita inferioară a frecvențelor audibile sau, altfel spus, în domeniul infrasunetelor. Vibrațiile pot produce atât efecte fiziologice, cât și fizice, cele mai importante fiind efectele mecanice și termice. Caracterul nociv al vibrațiilor este și mai accentuat dacă acestea sunt însoțite și de zgomot, așa după cum nocivitatea zgomotelor se mărește prin asocierea acestora cu vibrațiile.
Vibrațiile au o acțiune diferențială asupra diferitelor organe și aparate ale corpului omenesc în raport cu diverși parametri mecanici ai vibrației. În acest sens, aparatul vestibular este sensibil la accelerații, în timp ce influența frecvenței asupra acestora este neînsemnată. Diferitele frecvențe au o importanță deosebită asupra organelor lui Corti, iar efectul de oboseală crește odată cu acesta. De asemenea, frecvența influențează puternic reacția organismului, în special la vibrațiile de frecvență foarte joasă, care se transmit mai ușor prin țesuturi.
Limite admisibile ale vibrațiilor care acționează asupra omului
Frecvențele foarte joase pot fi foarte periculoase pentru organismul uman, în special la un volum peste medie, expunând omul la vibrații care îi pot afecta confortul, randamentul activităților, iar în anumite condiții chiar sănătatea și securitatea sa.
În acest sens, considerăm trei moduri fundamentale de expunere a omului la vibrații și anume:
a) vibrații transmise simultan întregii suprafețe a corpului sau marii părți a lui. Acestea se întâmplă atunci când corpul se află într-un mediu ce produce vibrații pe o suprafață mai mare.
b) vibrații transmise corpului în ansamblu prin intermediul suprafeței de sprijin și anume, picioarele în cazul omului stând în picioare.
c) vibrații aplicate unor părți ale corpului: capului, mâinilor sau picioarelor.
De asemenea, trebuie menționat că gama de frecvențe în care limita de vibrații este cea mai scăzută, este cea cuprinsă între 4 si 8 Hz, pentru vibrațiile longitudinale și sub 2Hz pentru vibrațiile transversale. Toleranța omului la vibrații descrește într-un mod caracteristic cu creșterea timpului de expunere, toleranța la vibrațiile transversale fiind mai mică decât la vibrațiile longitudinale. Limita de expunere se situează la aproximativ jumătate din nivelul considerat a fi pragul de durere, sau limita de toleranță, pentru indivizii sănătosi.
Aparate pentru măsurarea zgomotului
La alegerea aparaturii pentru măsurarea zgomotului, un rol hotărâtor îl au caracteristicile acestuia. Astfel spectrul zgomotului poate fi de bandă largă, ca de exemplu în cazul avioanelor, de bandă îngustă ca în cazul ventilatoarelor sau cu frecvențe înalte, ca în cazul motoarelor electrice.
Cantitatea și tipul de analiză a zgomotului influențează alegerea aparaturii și a procedeelor de măsurare.
Sonometre
Sonometrul este un aparat portabil care servește pentru măsurarea nivelului de presiune acutică. Are un răspuns față de sunet ca și răspunsul urechii umane, dar poate efectua și măsurători obiective și reproductibile ale nivelului de presiune acustică. Din punct de vedere al principiului de funcționare , semnalul sonor este convertit într-un semnal electric identic, prin intermediul unui microfon. Semnalul sonor fiind de nivel scăzut, trebuie amplificat înainte de a se putea citi pe ecranul instrumentului. Valoarea citită pe instrument este nivelul de presiune acustică în dB. Semnalul este de asemenea disponibil la o fișă de ieșire, pentru alimentarea unor instrumente externe, ca de exemplu un înregistrator de nivel sau magnetofon. Un detector de vârf poate fi inclus pentru determinarea valorii de vârf a semnalelor de impulsuri. Sonometrul fiind un instrument de precizie, este necesară etalonarea lui pentru a putea fi deținute rezultate precise și reproductibile.
Sonometrele variază în complexitate, de la un instrument mic, compact, pentru măsurători simple ale nivelului de pinderare A, până la modelele prevăzute cu toate circuitele de ponderare standardizate internațional. Acestea pot avea dispozitive de măsurare a impulsurilor dar și filtre cu circuite de mediere în timp.
Un exemplu de sonometru de precizie este modelul Brüel și Kjaer, fiind considerat un dispozitiv complex, conținând în afară de circuitele de ponderare A,C și circuitul B. Atașându-se setul de filtre de octavă cu 1/3 octavă, acesta poate fi transformat într-un analizor de zgomot sau de vibrații portabil. Dacă zgomotul care trebuie măsurat constă în impulsuri izolate sau conține zgomote de impact, se utilizează sonometre de precizie pentru impulsuri.
Acest tip de sonometru este dotat cu un afișaj analogic în forma unui ac indicator pe o scală de citire directă. Tehnicile numerice au permis realizarea unor noi generații de aparate la care valorile nivelurilor de zgomot măsurate sunt simultan afișate numeric pe un ecran și indicate de un ac indicator.
Modul de efectuare a măsurătorilor de zogmot este reprezentat în figura X:
Dozimetre
Potențialul nocivității unui zgomot produs în mediul ambiant nu este numai funcție de nivelul acestui zgomot, ci depinde și de durata sa. De exemplu, expunerea la un anumit zgomot pentru o perioadă de un minut, nu este la fel de nocivă ca expunerea la același zgomot timp de o oră. Pentru a măsura potențialul de nocivitate al unui zgomot trebuie să măsurăm atât nivelul cât și durata zgomotului sau a frecvenței care acționează asupra corpurilor și oamenilor. Această operație este simplă în cazul nivelelor constante, însă în cazul în care acestea variază, nivelul trebuie analizat în eșantioane periodice, fiecare eșantion fiind bine definit în timp.
(Eventual, Cap.4) Un sistem defensiv bazat pe utilizarea infrasunetelor.
În cadrul acestui subcapitol din studiul de caz voi vorbi despre ideea mea de a construi și utiliza un sistem defensiv bazat pe utilizarea de infrasunete, cu aplicabilitate atât pentru Armata României, în cazul unui război, ca sistem de apărare impotriva forțelor inamice, cât și pe timp de pace în timpul protestelor de stradă, reprezentând de fapt un sistem de spargere și disperasare a maselor de manifestanți și protestatari atunci când situația începe să iasă de sub control. Totul se bazează pe utilizarea de infrasunete la o amplitudine suficient de mare încât să deranjeze și să creeze o stare de disconfort intern la nivelul organismului uman iar toate persoanele aflate în raza de acțiune a acestora să simtă nevoia imediată să se îndepărteze din zona respectivă, totul având un efect temporar, timp de acțiune instantaneu și cu o eficiență crescută. Imaginați-vă cum este să luați partea la un protest de stradă, care treptat începe să iasă de sub control. În doar câteva momente, sunteți prinși într-o adevarată mare de oameni din care încercați să scăpați dar fără rezultat fiindcă totul este un haos. Încep să se audă sirenele mașinilor de poliție care se apropie și care în scurt timp, creează un baraj în fața manifestanților. Apoi totul este cuprins de o liniște stranie fiindcă deși mulțimea a fost încojurată de forțe de ordine, nimeni nu acționează și totul este supravegheat. Dintr-o dată, simțiți că nu mai puteți respira. Capul se face greu și cădeți în genunchi, vă apucă o amețeală puternică, încercați să vă ridicați dar sunteți cuprinși de panică. Încercați să vă păstrați calmul dar vedeți peste tot în jurul dumneavoastră cum oamenii încep să cadă în genunchi și nu se mai pot mișca, fără ca cineva să acționeze fizic cu ceva asupra dumneavoastră. Când toți manifestanții ajung să zacă pe jos, poliția intervine și încep să se facă arestări. Câteva ore mai târziu începeți să vă recuperați treptat și să conștientizați ce s-a întâmplat și ce anume v-a provocat tulburările pe care le-ați simțit. Nimeni nu a fost lovit de vreun glonț orb sau afectat de gaze lacrimogene. Cu toate acestea, toți manifestanții au devenit foarte vulnerabili și dezorientați fiind paralizați de un rău invizibil. Însă răspunsul este unul simplu: dumneavoastră tocmai ați fost victima unei noi arme: infrasunetele.
Acest sistem pe care l-am gândit, bazat pe utilizarea frecvențelor joase, vine ca o alternativă foarte eficientă, rapidă și precisă la gazele lacrimogene și contactul fizic între forțele de ordine și protestatari. Totul se produce de la distanță, zona vizată fiind una destul de largă, dar fără acțiune nedorită asupra unor părți ce nu se doresc a fi afectate.
Astfel, persoanele aflate în raza de acțiune a sistemului vor resimți initial o stare de disconfort ușor la nivelul întregului corp, pentru ca mai apoi, pe măsură ce s-ar apropia de acest sistem ce emite infrasunete, (amplitudinea semnalului devenind una din ce în ce mai mare) efectele să devină din ce în ce mai evidente, provocând dureri de cap, contracții involuntare ale unor viscere și părți ale musculaturii. Cu alte cuvinte, aceste simptome temporare vor duce la dorința exclusivă a persoanei afectate să plece imediat din spatiul respectiv acoperit de aceste unde de joasă frecvență sau chiar să rămână paralizat și vulnerabil temporar.
Astfel, prin utilizarea acestui sistem defensiv extrem de eficient s-ar produce economii pe termen lung datorită utilizării mai rare a gazelor lacrimogene, a tunurilor cu apă dar și o scădere a numărului forțelor de ordine în cazul unor evenimente și proteste spontane, deoarece sistemul cu infrasunete ar avea nevoie de maximum 3-5 oameni pentru utilizarea și direcționarea corectă a acestuia, substituind astfel prezența unui număr de peste 3-500 de forțe de ordine ce ar acționa în mod normal în cazul unui protest cu peste 1000 de participanți.
De asemenea, acest sistem poate fi proiectat la o scară mai mare, având o aplicabilitate excelentă și în cadrul Armatei României, ca sistem defensiv de ultimă generație împotriva forței vii ale inamicului, cu utilizare preponderentă în cazul orașelor și municipiilor ce se doresc a fi capitulate de către forțele adverse, cât și protecția unor obiective strategice de importanță deosebită, în special când numărul fizic de combatanți ale forțelor proprii ar fi în inferioritate numerică evidentă și unde, practic, șansele de reușită ar fi considerabil mai mici. Cu o astfel de tehnologie se trece la o nouă etapă în proiectarea, construcția și utilizarea de arme inteligente, necesitând o resursă umană cât mai scăzută, oferind eficiență și rezultate maxime în timpul cel mai scurt.
Timpul de punere în funcțiune al unui astfel de sistem ar fi, de asemenea, de numai 3-5 minute, ceea ce ar însemna o mobilizare imediată în cazul unui atac spontan din partea inamicului, fiind o soluție mult mai rapidă decât mobilizare forțelor proprii aflate în repaus și care, în cazul unei alerte, ar necesita o durată de minim 30 de minute pentru a fi pregătiți pentru o confruntare directă, acest dispozitiv putând oferi timp prețios și implicit o amânare a atacului până când întregul efectiv propriu poate fi gata de a acționa și a susține atacul.
Utilizarea infrasunetelor este extrem de eficientă. Afirm asta deoarece nu există nicio modalitate clară de protecție impotriva acestora: fiind frecvențe cu lungimea de undă foarte mare, acestea pot parcurge distanțe foarte lungi și penetra obiecte solide precum autovehicule și mijloacele de luptă motorizate ale inamicului. De asemenea, forța vie a inamicului nu are nicio metodă de protecție împotriva acestor unde de joasă frecvență, chiar și dacă s-ar considera că aceștia încearcă să-și protejeze urechile cu echipamente speciale. Acest lucru însă nu le-ar fi de nici un folos, deoarece infrasunetele acționează nu numai asupra aparatului auditiv al persoanelor aflate în aria sa de acțiune ci și asupra întregului organism, asupra organelor interne, asupra musculaturii striate și netede, asupra circulației sângelui, toate aceste însumate ducând la scoaterea din luptă imediată a inamicului și slăbirea forțelor acestora, un atuu important pentru forțele proprii care vor acționa cu mai mare încredere și putere, având de infruntat un inamic slăbit și dezorientat.
Componența sistemului.
Din punct de vede al componenței acestui sistem, este nevoie în primul rând de amplificatoare audio de mare putere și cu o eficiență crescută în gama de frecvențe foarte joase. Acestea trebuie să fie clasa D obligatoriu, pentru un consum cât mai redus de curent, eficiență crescută, plusul principal reprezentândul căldura disipată de acestea, fiind recunoscute ca fiind printre cele mai bune amplificatoare din punct de vedere termic, acestea păstrându-se reci chiar și la o utilizare de peste 80% din putere.
Pe lângă amplificatoare, nu trebuie făcut la rabat de la partea de alimentare, acesta fiind poate cel mai important factor când vine vorba de un sistem audio mobil alimentat la 12V. Alimentarea cu o tensiune constantă, de peste 14V este obligatorie dacă se dorește o eficiență crescută a semnalului oferit de amplificatoare. În cazul în care tensiunea de alimentare la bornele amplificatoarelor începe să scadă sub 13V intervin o serie de factori negativi care afectează atât amplificatorul în sine cât și difuzoarele conectate la acesta. Odata cu tensiunea, scade atât eficiența cât și puterea amplificatorului, apărând o multitudine de distorsiuni în semnalul ce se dorește a fi redat, traduse prin multe maxime și minime ale răspunsului în frecvență. Odată cu scăderea voltajului sesizăm și o supraîncălzire a amplificatoarelor, acestea forțându-se să funcționeze corect.
„Amplficatorul de putere este prevăzut pentru mărirea puteri electrice a semnalului audio util în scopul conversiei lui electroacustice finale. Amplificatorul de putere trebuie să dezvolte în sarcină o anumită putere, cu un randament cât mai bun și cu distorsiuni minime.” [99]
Reglajul puterii dezvoltate de amplificator se face aproape întotdeauna prin modificarea nivelului semnalului alternativ de intrare. Astfel, impedanța de sarcină a unui amplificator de audiofrecvență este difuzorul, iar puterea transmisă acestuia variază în limite mari, de la câtiva miliwați, tradus printr-un volum foarte mic, până la zeci de wați (volum maxim) în funcție de valoarea dorită. Tranzistoarele din amplificatoarele ade audiofrecvență de putere pot funcționa ca amplificatoare în următoarele clase: clasa A, clasa B, clasa AB, clasa C și clasa D. Alegerea clasei de funcționare și a conexiunii de lucru a tranzistoarelor se face în funcție de amplificarea în tensiune sau curent cerută, puterea maximă, distorsiunile maxime admise (THD), etc.
Deoarece performanțele amplificatorului depind în această privință de tipul schemei electrice folosite și totodată de componentele electrice utilizate, este de așteptat ca o livrare liniară a puterii în întreaga bandă de audiofrecvență să fie garantată doar pentru un produs complex, având un preț final de achiziție destul de ridicat. De obicei, puterea unui amplificator de audiofrecvență se precizează pentru un semnal de intrare cu forma de undă sinusoidală. În majoritatea țărilor europene se utilizează ca dată de catalog puterea maximă sinusoidală. Ea reprezintă de fapt valoarea puterii maxime eficace pentru o formă de undă sinuisodală a semnalului electric amplificat. Puterea nominală se mai numește frecvent putere maximă sinusoidală sau putere continuă fiind prezentată sub această denumire în unele cataloage ale firmelor producătoare de amplificatoare de audiofrecvență din SUA și Japonia.
Puterea de vârf, denumită și peak power, reprezintă dublul puterii maxime sinusoidale. Puterea muzicală se referă la puterea cu distorsiuni sub 1%, măsurată pentru un semnal de intrare care aproximează o formă de undă a semnalului electric alternativ muzical, din regimul normal de exploatare. În concluzie, puterea muzicală este de 1,4-1,5 ori mai mare decât puterea nominală.
Distorsiunile pe care le introduce un amplificator de audiofrecvență se clasifică în două mari grupe. Prima este reprezentată de distorsiunile liniare, care reprezintă abateri de amplitudine sau frecvență, exprimate printr-o funcție de transfer liniară. Cea de-a doua grupă este reprezentată de distorsiunile neliniare, cauzate de relația neliniară dintre amplitudinile de intrare și ieșire ale semnalului util, deci o funcție de transfer neliniară. La rândul lor, distorsiunile neliniare se clasifică în distorsiuni neliniare statice, dependente numai de amplitudinea semnalului, și distorsiuni neliniare dinamice dependente de amplitudinea și frecvența, faza sau modul de comportare în timp a semnalului.
Pentru a putea face posibilă construcția acestui proiect, este nevoie de utilizarea unor amplificatoare de putere. Funcția esențială a unui amplificator de audiofrecvență de putere este preluarea unui semnal de audiofrecvență de ordinul sutelor de milivolți și amplificarea acestuia în așa fel încât în final să fie posibil transferul dorit de energie electrică impedanței de sarcină. Amplificatorul de audiofrecvență trebuie să realizeze o amplificare de putere, deci atât amplificarea în curent cât și amplificare de putere, deci atât amplificarea în curent cât și amplificarea în tensiune a semnalului de audiofrecvență inițial. Orice amplificator de putere prezintă următoarele blocuri funționale distincte: etajul de intrare, etajele de amplificare intermediare, etajul pilot, sursa de tensiune constantă destinată polarizării etajului final, etajul final, etajul de protecție la suprasarcini, etajul de reacție negativă globală.
Figura X Schema bloc a amplificatorului de putere.
În al treilea rând, următorul aspect important în realizarea acestui sistem cu emisie de infrasunete este reprezentat de difuzorul electroacustic. Trebuie urmărit ca acesta să aibă o frecvență de rezonanță cât mai scăzută, posibilitatea unei excursii a membranei cât mai ridicată dar în același timp să fie un difuzor rapid, având un răspuns liniar în gama de frecvențe de sub 30Hz. De asemenea, șasiul acestui tip de difuzor trebuie să fie unul solid, să reziste forțelor mecanice ce acționează în timpul utilizării acestuia, dar și un magnet cât mai mare, capabil să creeze un câmp magnetic cât mai puternic care să controleze cât mai precis cursa bobinei, fără ca aceasta să-și depășească limitele impuse de producător.
În al patrulea rând, și cel poate cel mai important aspect din construcția acestui sistem mobil, îl reprezintă incinta acustică în care vor fi instalate aceste echipamente audio. Aceasta din urmă este punctul de rezistență al întregului sistem, căci cu ajutorul acesteia se va obține răspunsul în frecvență corect și urmărit pentru care a fost proiectat întregul sistem. Aceasta trebuie să fie proiectată în strânsă legătură cu difuzorul ce urmează a fi montat în această incintă, respectând întocmai parametrii oferiți de producător pentru a obține rezultate maxime.
O altă componentă foarte importantă și esențială în alcătuirea acestui sistem defensiv îl reprezintă osciloscopul. Acesta este un aparat electronic de măsură cu ajutorul căruia se poate observa și măsura
oscilatorul infrasunete
Bibliografie:
[1] Michael Roberts, Productia de Sunet, 1991, Editura Tehnica Bucuresti.
[97] Alexandru Darabont, Ionel Iorga, Michaela Ciodaru, Măsurarea zgomotului și vibrațiilor în tehnică, 1983, Editura Tehnică București
[98] Anatolie Hristev, Mecanică și Acustică, Editura Didactică și Pedagogică București
[99] Emil Marian, Scheme și montaje de audiofrecvență, 1992, Editura Tehnică București
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Sisteme Audio Componenta, Traductoare (ID: 123907)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.