Звукоусиление речи

Звукоусиление – искусственное увеличение громкости речи или музыки, воспринимаемой слушателями. Основными компонентами системы звукоусиления являются:

  • микрофон;
  • микрофонный усилитель;
  • усилитель мощности;
  • громкоговоритель.

Уровень звукового давления, создаваемого спокойно говорящим человеком (оратором) в тихой комнате на расстоянии 1 метр, составляет ~65 dB SPL. Уровень звукового давления на расстоянии 10 метров уже будет составлять 45 dB SPL, т.е. на 20 dB SPL меньше, чем на расстоянии 1 метр

65 – 20log (10) = 45 dB SPL

Задача системы звукоусиления – усилить голос оратора, воспринимаемый микрофоном, создать впечатление, что оратор находится близко от слушателя.

Если требуется произвести впечатление, что оратор находится на расстоянии 1 метр от слушателя, а реальное расстояние составляет 10 метров, оратор должен создавать уровень звукового давления речи на 20 dB SPL выше своей обычной речи. Вот эти 20 dB SPL и есть звукоусиление. Точнее – это необходимое звукоусиление (NAGNeeded Acoustic Gain)!

Зависимость уровня звукового давления, создаваемого источником звука на открытых пространствах, от расстояния описывается законом обратных квадратов: интенсивность звука изменяется пропорционально квадрату расстояния точечного источника звука, т. е. при увеличении расстояния от источника в два раза, звуковое давление будет уменьшаться на 6 дБ.

Таким образом, зная уровень звукового давления в какой либо точке, удаленной от источника на известное расстояние, можно рассчитать уровень звукового давления в любой точке.

Для расчета уровня звукового давления, создаваемого источником звука на расстоянии D0, используется формула

LS – 20log (D0/DS),

где:
LS – уровень звукового давления, создаваемым источником на расстоянии S.
DS – расстояние до точки, в которой определен (измерен, или нормирован) уровень звукового давления,
D0 – расстояние, на котором необходимо определить уровень звукового давления.
Если уровень звукового давления LS определен на расстоянии DS = 1 метр, то формула упрощается

L – 20log (D),

где:
L – уровень звукового давления, создаваемым источником на расстоянии 1 метр,
D – расстояние (в метрах), на котором необходимо определить уровень звукового давления.
В документации на громкоговорители и акустические системы указывается характеристики уровней звукового давления на расстоянии 1 метр.

В системах звукоусиления, в отличие от систем озвучивания, всегда присутствует микрофон. Присутствие микрофона и громкоговорителя в одном помещении требует рассмотрения и решение задачи предотвращения возникновения паразитной обратной положительной связи.

 

Рисунок 1. Упрощенная схема звукоусиления

Рисунок 1. Упрощенная схема звукоусиления

 

Эффективность системы звукоусиления можно определить как разность уровня звукового давления в точке, создаваемой работающей системой звукоусиления, и уровня звукового давления, создаваемого оратором в той же точке, когда система звукоусиления отключена, т.е. как разность уровней звукового давления усиленного и прямого звуков (рисунок 1).

Положительная обратная связь (рисунок 1) возникает, когда усиленный звук из громкоговорителя попадает в микрофон, вновь усиливается, и затем снова попадает в микрофон и т.д. Проявлением такого процесса является самопроизвольное воспроизведение громкоговорителем системы звукоусиления неприятных звуков.

Такую обратную связь нельзя путать с эффектом возникновения эха в системах телеконференц-связи.

Эффективность звукоусиления зависит от расстояния между оратором и микрофоном и от расстояния между громкоговорителем и слушателем (рисунок 2).

 

Рисунок 2. Упрощенная модель звукоусиления

Рисунок 2. Упрощенная модель звукоусиления

 

D0 - расстояние между оратором и слушателем;
D1 - расстояние между микрофоном и громкоговорителем;
D2 - расстояние межу громкоговорителем слушателем;
DS - расстояние между оратором и микрофоном.

Для оценки эффективности системы звукоусиления (рисунок 2) рассмотрим 2 варианта.

Вариант 1. Система звукоусиления отключена.

Если система звукоусиления отключена, то уровень звукового давления в точке нахождения слушателя определяется по формуле:

L – 20log (D0/Ds) [1]

Вариант 2. Система звукоусиления включена.

Здесь будем исходить из предположения, что микрофон и громкоговоритель являются всенаправленными. При определении максимальной эффективности системы звукоусиления ограничением (граничным значением) является возникновение обратной положительной связи.

Граничное значение эффективности системы звукоусиления – равное значение уровня звукового давления, создаваемые в точке установки микрофона громкоговорителем и оратором (разность уровней давления равна 0). Если уровень звукового давления громкоговорителя больше, возникает положительная обратная связь.

L – 20log (D2/D1) [2]

Эффективность системы звукоусиления определена, как разность между [2] и [1] и составляет

(L – 20log (D2/D1)) – (L – 20log (D0/Ds)) =
20log (D0/Ds) – 20log (D2/D1) =
20log (D0/Ds) + 20log (D1/D2) =
20log D1 + 20log D0 - 20logD2 - 20logDs [3]

Эффективность системы звукоусиления является предельной, на грани возникновения обратной положительной связи. Такая система является неустойчивой (склонной к возникновению обратной положительной связи). Обычно требуется запас устойчивости подобных систем к возникновению обратной положительной связи не менее 6 dB.

Эффективность системы звукоусиления является c запасом 6 dB к возникновению обратной положительной связи называют возможным звукоусилением (PAGPotential Acoustic Gain).

20log D1 + 20log D0 - 20logD2 - 20logDs – 6 [4]

Если в примере задать конкретные расстояния (рисунок 2):

D1 = 2.4 м; D0 = 10 м; D2 = 8.3 м; Ds = 0.5 м,
то PAG равняется
20log 2.4 + 20log 10 - 20log 8.3 - 20log 0.5 – 6 = 10 dB

В самом начале мы определили, что необходимое усиление NAG на расстоянии 10 метров должно быть 20 dB, а система звукоусиления на рисунке 2 обеспечивает возможное усиление PAG только в 10 dB. Что делать? Где взять недостающие 10 dB?

1. В расчетах PAG исходили из случая, что микрофон, и громкоговоритель являются всенаправленными. В реальных системах звукоусиления используются микрофоны, которые имеют ярко выраженную направленность. Реальные громкоговорители также имеют определенную диаграмму направленности, благодаря чему PAG может быть значительно увеличена. Теоретически, использование направленного микрофона и направленного громкоговорителя может увеличить PAG на 12 dB, на практике удается получить выигрыш в 6 dB.

2. Изменение расположения микрофона и громкоговорителя может значительно увеличить PAG:

  • уменьшение расстояния между оратором и микрофоном (Ds);
  • уменьшение расстояния между громкоговорителем и слушателем (D2);
  • увеличение расстояния между громкоговорителем и микрофоном (D1).

3. Включение в состав системы звукоусиления дополнительного специального прибора – подавителя обратной акустической связи позволяет значительно увеличить PAG.

В реальных системах звукоусиления используется несколько микрофонов, и несколько громкоговорителей, что приводит к уменьшению PAG системы звукоусиления. Особенности одновременного подключения нескольких микрофонов к системе звукоусиления рассматриваются здесь: http://www.proavtoday.ru/theory/teleconference/AutoMixer/