Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику
Простейшая двухполосная акустическая система содержит две головки: одну для воспроизведения низких и средних частот, а другую — высоких. Низкочастотная головка имеет большой диффузор и мягкую подвеску, а высокочастотная — маленький жесткий купол вместо диффузора. Еще совершеннее трехполосные акустические системы, где отдельные громкоговорители воспроизводят низкие, средние и высокие звуковые частоты. Благодаря значительному снижению интермодуляционных искажений (ведь сигналы с разными частотами подаются на разные головки) звук их отличается особой чистотой и «прозрачностью».
Но многополосная система не оправдывает надежд, если электрический звуковой сигнал перед подачей его на головки не разделять фильтрами. Весь диапазон звуковых частот делят фильтрами на три частотных поддиапазона, например: 40…400 Гц (выделяется фильтром нижних частот), 400…5000 Гц (фильтром средних частот) и 5000… 20000 Гц (фильтром верхних частот). Фильтры содержат катушки индуктивности и конденсаторы, причем для уменьшения искажений в катушках даже избегают применять ферромагнитные магнитопроводы. Важен вопрос и согласования фильтров по их фазовым характеристикам. Ведь надо, чтобы сигналы подавались на головки в одной и той же фазе, иначе головки будут звучать «в разнобой», что опять-таки приведет к искажению звука.
Кажется, я достаточно напугал вас, читатель, сложностью проблем, стоящих перед создателями электроакустической аппаратуры. А может быть, вы сами займетесь ее конструированием? Я до сих пор не могу забыть впечатления, которое произвел на меня обычный четырехваттный динамик, когда я закрыл им отверстие старого полиэтиленового ведра, а внутрь ведра затолкал еще обрезки поролона и старую зимнюю шапку (для звукопоглощения). Смею вас заверить, этот динамик никогда раньше, ни в каком акустическом оформлении так хорошо не звучал. К сожалению, он не звучал так и потом, когда, окрыленный успехом, я изготовил вполне приличный ящик, который можно было поставить в комнате. Вмонтировал туда динамик, и. очень пожалел, что шапка и ведро были уже выброшены. Оставалось констатировать, что в электроакустике еще много неясных, а порой и вообще необъяснимых феноменов. А теперь…
Попробуем заглянуть в будущее
Давайте попробуем, но как это сделать, если не предаваться безудержным фантазиям? Воспользуемся методом более или менее научного прогноза, прослеживая современные тенденции и экстраполируя их на будущее. Бытовая электроника непрерывно совершенствуется. Огромный прогресс заметен в области усилительной техники и акустических систем. Их качественные показатели неизмеримо выросли за последние двадцать-тридцать лет. Имеются сведения, например, о разработке усилителей с пиковой мощностью до 200…400 Вт и коэффициентом нелинейных искажений в тысячные доли процента. Многие удивляются: зачем нужна столь большая мощность, не озвучивать же такой мощностью жилую квартиру? В ней нельзя будет жить хозяевам, да и соседям придется трудно. Разумеется, в течение 99,9 % времени такая мощность не нужна. Но речевые, а в особенности музыкальные программы очень далеки от синусоидального колебания постоянной амплитуды. Они часто носят импульсный, пиковый характер. Динамический диапазон звучания обычного оркестра достигает 70…90 дБ. Это значит, что мощность самого громкого звука (пиковая мощность) превосходит мощность самого тихого звука (лежащего на уровне шумов) на семь — девять порядков, т. е. в десять миллионов — миллиард раз!
Предположим, что для воспроизведения самого тихого звука достаточна мощность 1 мВт, тогда для неискаженного воспроизведения самого громкого звука понадобится мощность не менее 10 кВт! Разумеется, так никто не делает, и полный динамический диапазон оркестра современные электроакустические системы нс воспроизводят. Таким образом, большая выходная мощность усилителей нужна для уменьшения искажений на пиках громкости. Но установка мощного усилителя оправдана лишь в том случае, если акустическая система способна без искажений отработать большую пиковую мощность.
Теперь допустим, что высококачественные мощные усилители и акустические системы скоро станут широко распространенными. Что же дальше? Тормозом для дальнейшего повышения качества звуковоспроизведения окажутся источники звуковых программ — те же самые проигрыватели и магнитофоны. Для их совершенствования предлагается много технических решений, но аппараты при этом становятся уж очень сложными и дорогими, да к тому же и недостаточно надежными в эксплуатации. Это общие недостатки аналоговой техники. Выход один — переходить к цифровой записи звука. Мы уже обсуждали преимущество передачи телефонного разговора в цифровой форме: уровень помех и искажений резко снижается, сигнал не ухудшается от многочисленных ретрансляций или перезаписей. То же относится и к цифровой звукозаписи, только объем обрабатываемой информации здесь получается гораздо больше.
Для передачи звуков с динамическим диапазоном 90 дБ каждый отсчет сигнала должен квантоваться не менее чем на 30000 уровней. Для передачи одного отсчета потребуется 15 бит информации (215 = 32 768). Отсчеты должны следовать с тактовой частотой, по крайней мере вдвое превышающей максимальную частоту звукового диапазона (вспомните теорему отсчетов). Подойдет значение 48 или 64 кГц. Тогда скорость поступления звуковой информации в цифре составит около 106 бит/с, или 1 Мбит/с. Полоса частот, занимаемая подобным цифровым сигналом, окажется шире 1 МГц. Для его записи понадобится уже не обычный, а видеомагнитофон. Ну не совсем видео, но по параметрам приближающийся к видеомагнитофону. Зато цифровая запись позволит получить звук, практически неотличимый от естественного.
Кроме магнитной существуют и уже разрабатываются другие способы цифровой записи звука. Очень интересны, например, диски, на которые лазерным лучом записана цифровая информация. Высокая когерентность лазерного излучения позволяет получать чрезвычайно высокую плотность записи. Одна сторона диска может «звучать» до полутора часов. Работы ведутся и в области лазерной видеозаписи. Вот какие источники программ мы увидим в недалеком будущем.
Цифровых дисков еще нет у слушателей, но на студиях звукозаписи цифровая техника уже широко используется. Записываемый сигнал в этом случае сразу преобразуют в цифровую форму и лишь затем обрабатывают и редактируют. Большинство искажений, создаваемых обычными аналоговыми звукорежиссерскими устройствами, при этом устраняется. Резцом звукозаписывающего рекордера управляет теперь не усилитель аналогового сигнала, а цифровое устройство. Делает оно это гораздо точнее; в результате качество обычной аналоговой записи на пластинках существенно повышается. И для передачи записываемой программы на другой завод грампластинок теперь можно не посылать диск-матрицу, а передать по сети связи «пакет» чисел в виде электрических импульсов, записанных на магнитной ленте или магнитном диске. Такой вид передачи очень близок к обмену информацией между компьютерами. Но компьютер сначала запоминает получаемую информацию, а уж затем ее обрабатывает. А нельзя ли с помощью компьютерных устройств памяти запоминать и звук, преобразованный в поток цифровых сигналов? Конечно, можно, и первые шаги в этом направлении уже сделаны.
Когда я упомянул о телефонной трубке, в рукоятку которой встроен миниатюрный магнитофон, я не сказал о другой, конкурирующей разработке. Цель, собственно, была простая — необходимо было устройство, записывающее телефонные звонки в отсутствие абонента. Телефонный ответчик на базе магнитофона хорошо известен и уже далеко не новинка. А вот в той, другой разработке в телефонную трубку встроили аналого-цифровой преобразователь и полупроводниковое устройство памяти, хранящее полученную и преобразованную в цифровой код информацию. Хотя длительность записи получилась весьма небольшой, всего около 20 с, первый шаг сделан! Важным достоинством такого, чисто электрического способа звукозаписи является полный отказ от механики в устройстве нет ни одной движущейся или вращающейся части. Развитие и дальнейшее усовершенствование этого способа звукозаписи (увеличение полосы частот и длительности записи) теперь уже дело технологии, а она, как показывает опыт, совершенствуется очень быстро, особенно в области полупроводниковой электроники. Как только появятся небольшие и дешевые устройства полупроводниковой памяти объемом в сотни мегабит, у проигрывателя и магнитофона будет очень сильный конкурент. Вот так вычислительная техника вторгается в совершенно неожиданные и, казалось бы, совсем несовместимые области техники. Есть и еще одно — применение микроЭВМ.
На память приходит броский лозунг: «ЭВМ управляет бытовым радиокомплексом». Странно? До сих пор бытовым радиокомплексом управлял человек, слушатель или, как теперь все чаще говорят, пользователь. Давайте определим число органов управления современным бытовым радиокомплексом. Тюнер: ручка настройки, переключатель диапазонов, ручка выбора полосы пропускания, переключатель «Местный дальний прием», общий выключатель — итого пять органов управления. Примерно по стольку же, если не больше, органов управления и у других устройств, входящих в радиокомплекс. Всего набирается несколько десятков органов управления. Есть у вас гарантии, что все они установлены в оптимальные для данного режима работы и воспроизводимой программы положения?
