1. AKUSZTIKAI ALAPOK. HANG. ELEKTROAKUSZTIKAI ÁTALAKITÓK.
   

Mindennapi életünk során az ismeretek jelentõs részét hallás útján, a fülünkkel érzékeljük és dolgozzuk fel. Ebbõl következik, hogy a híradástechnika egyik fontos területe a hangjelek feldolgozása és továbbítása. A felhasznált berendezések megtervezéséhez egyaránt szükségesek a hang fizikai tulajdonságainak és a fül sajátságos pszichofizikai jellemzõinek az alapos ismerete. Ebben a fejezetben megismerkedünk a hang fizikai jellemzõivel, a hallás fiziológiai jellegzetességeit figyelembevevõ mennyiségekkel, a mesterséges hangtér leírásával, a hangvétel és a hangvisszaadás eszközeivel.

4.1. A hang fizikai leírása

Fizikai jellegét tekintve a hang valamilyen rugalmas közeg mechanikai rezgésébõl áll. Ilyekor a rugalmas anyag azon részecskéi, amelyek külsõ hatásra kimozdultak nyugalmi helyzetükbõl, a rugalmassági erõ és a tehetetlenség folytán periodikus rezgésbe jönnek. Szilárd anyagokban az úgynevezett testhang, cseppfolyós anyagokban a folyadékhang és levegõben a léghang keletkezik és terjed. Az emberi fül döntõen a levegõben terjedõ hangokat érzékeli, ezért a léghanggal kapcsolatos ismeretek (pl. hangkeltés, terjedés, érzékelés stb.) kiemelt jelentõségûek.

A léghang légnyomásingadozás formájában jelentkezik. Az állandó értékûnek tekinthetõ légköri nyomásra szuperponálódik a hangnyomás (lásd 4.1. ábra). A tér egy pontjában az eredõ P(t) légnyomás a P0 - lal jelölt konstans légköri nyomás és a p(t) összegeként adható meg.

(4.1)

A továbbiakban csak az idõben változó második taggal, a hangnyomással fogunk foglalkozni.

A hang fizikai jellemzésére leggyakrabban a hangnyomás effektív értékét szokás használni. A hangnyomás szabványos mértékegysége a Pa, ami 1 Newton erõhatást jelent 1 m2 felületen. (A konstans légköri nyomás közelítõleg 100 000 Pa). A hangnyomás értékét mérõmikrofonnal mérjük. Méréskor gyakori szokás az, hogy a mért hangnyomás és egy referencia érték arányát adják meg dB-ben. Ilyenkor a referencia  Pa, ami az átlagember számára az éppen meghallható 1000 Hz-es szinuszhang nyomásértéke. A hangnyomásszint tehát:

(4.2)

A tér egy pontjában létrehozott nyomáseltérés a szomszéd térrészek felé kiegyenlítõdni igyekszik. A kiegyenlítõdés során létrejön a részecskék elmozdulása, ami újabb, a szomszédos térrészekben kialakuló nyomáskülönbséget eredményez. Ilymódon ez a nyomásváltozás a térben hanghullámok formájában tovaterjed. A hanghullámok azonos fázisú pontjai közötti távolságot hullámhossznak nevezzük. A hullámhossz és a frekvencia szorzata egy állandó érték, ami a hang terjedési sebessége.

(4.3)

A hang terjedési sebessége c = 340 m/s. Ha a hang forrása pontszerû, és ha a térben a hang minden irányban akadálytalanul terjedhet, akkor gömbhullámok keletkeznek. A hangforrástól nagy távolságra az azonos fázisú gömbfelületek alig görbülnek (4.2. ábra), ezért ezeket már síkhullámoknak tekinthetjük. Síkhullámokra érvényes az, hogy a hangnyomás és a részecskesebesség hányadosa állandó.

(4.4)

ahol a levegõ sûrûsége.

A hang jellemezhetõ az idõegység alatt a felületegységen áthaladó energia nagyságával is. Ezt nevezzük hangintenzitásnak, értékét a hangnyomás és a részecskesebesség szorzataként számítjuk. Síkhullámoknál (4.3) egyenletet is behelyettesíthetjük:

(4.5)

Az intenzitást is gyakran viszonyítva, dB-ben kifejezve adjuk meg. Könnyen belátható, hogy a viszonyítási alap I₀ = 1 pW/m², ami az 1000 Hz-en éppen meghallható szinuszhang intenzitásértéke. Az intenzitásszint tehát:

(4.6)

4.2 Az emberi hallás fiziológiai tulajdonságai.

Tapasztalatból tudjuk, hogy az emberi hallás mind frekvencia, mind pedig a hangnyomás tartományokban korlátozott. Nagyszámú kísérleti alannyal végzett mérések alapján megállapították, hogy milyen hangnyomásszinteket vagyunk képesek még éppen meghallani a frekvencia függvényében. Ezen mérési eredményeket hallásküszöbnek is szokás nevezni. A hallásküszöb erõsen függ a frekvenciától. Eszerint a fül érzékenysége a néhány kHz-es tartományban a legnagyobb, kisebb és nagyobb frekvenciákon az érzékenység leromlik (lásd 4.3. ábra).

Ezek alapján jól látszik, hogy a hallhatóság tartománya 20 Hz és 20 kHz közé esik. A nagyon erõs hangok fájdalomérzetet keltenek. Ezt a határt fájdalomküszöbnek nevezzük. Ennek görbéje már nem annyira frekvenciafüggõ. Ezen korlátokon belül találhatóak a zene és a beszéd tartományai. Jól látható, hogy a zene frekvencia és dinamikahatárai lényegesen nagyobbak, mint amelyekkel a beszéd rendelkezik.

A szubjektív hangosságérzet számszerûsítésére vezették be a hangerõsség fogalmát. Ennek alapján egy tetszõleges hang hangerõssége annyi phon, ahány dB a vele azonos hangosságérzetet keltõ 1 kHz-es szinuszhang hangnyomásszintje. (Ebben a kísérletben a mérendõ hangot és a megfigyelõ által változtatható szintû referencia hangot felváltva kell meghallgatni.) Ha a frekvencia függvényében összekötjük az azonos hangerõsségû pontokat, akkor megkapjuk az úgynevezett Fletcher-Munson görbéket (4.4. ábra).

Egy adott frekvenciájú és adott hangnyomásszintû hang hangerõsségét a görbékre írt phon érték alapján állapíthatjuk meg. Az így megállapított hangerõsség jele LN. Ezen az alapon már eltérõ frekvenciájú hangokat is össze tudunk hasonlítani a hangerõsségük alapján.

Az egyidejûleg megszólaló hangok eredõjének meghatározására vezették be a hangosságot, melynek jele N és mértékegysége a son. A kiszámítás módja, ha a hangerõsség meghaladja a 40 phont:

(4.7)

Eszerint 10 phon hangerõsségnövekedésnek kétszer akkora hangosság felel meg. Amennyiben a különféle hangok nem közeli frekvenciájúak, akkor a sonban kifejezett hangerõsségeik összegezhetõek. A 40 phon hangerõsség 1 son értékû.

Frekvenciában közeli hangoknál fellép a hangelfedés jelensége. Ennek lényege az, hogy az elsõ, zavarónak tekintett hang megemeli a másik, a vizsgálandó hang hallásküszöbét. A hangelfedést megvizsgálták tiszta szinuszos hangokra, keskeny és szélessávú zajokra. A 4.5. ábrán megadtuk különféle hangnyomásszintû 1000 Hz-es keskenysávú hangok által megnövelt hallásküszöböket. A hangelfedõ hatás a magasabb frekvenciákon erõsebben jelentkezik.

A hangjelenségek térben játszódnak le, ezért igen fontos a térinformációk felismerése is. Ezek közül leglegjelentõsebb a hangforrás iránya. A vízszintes síkban a két fülünkbe jutó hangnyomáseltérés alapján lokalizáljuk a hangforrás irányát. Szembõl érkezõ hanghullámok szimmetria okokból azonos hangnyomást keltenek mindkét fülünkben. Oldalirányú hanghullámok útjai eltérõek lesznek. Kisfrekvencián az útkülönbség okozta fáziseltérést detektálja a fülünk, míg magasabb frekvenciákon a fej árnyékoló hatása következtében fellépõ intenzitákülönbséget érzékeljük. Más a helyzet a függõleges irányban, ugyanis a magasabbról érkezõ hangok is azonos hangnyomásokat keltenek mindkét fülben. Emiatt a vízszintestõl való eltérést közvetlen módon nem tudjuk megállapítani. Az ilyen irányok érzékeléséhez a fej mozgatására is szükség van.

4.3. A hangtér mesterséges elõállítása.

Az elérendõ cél olyan mesterséges hangtér elõállítása, amely tartalmaz minden lényeges információt a fül számára. Természetesen ez a követelmény más és más az egyes összeköttetésekben, hiszen a fül által érzékelhetõ egész frekvenciasávra, a mintegy 120 dB dinamikára, valamint a hangforrások lokalizálhatóságára nincs mindig szükség.

A hangtér elõállításának különféle lépései és eszközei vannak. Az eredeti hangtérben történik a hangvétel, amelynek eszköze a mikrofon. Esetenként több mikrofont kell használnunk. A mikrofonok a hangnyomással arányos jeleket állítanak elõ, amelyeket a következõ lépésben jelfeldolgozásnak vetünk alá. Ilyen feldolgozás például az egyes jelek megfelelõ arányú összegzése, zengetése vagy szûrése stb. A feldolgozás történhet analóg vagy digitális eszközökkel. A feldolgozott jel az átviteli csatornába kerül, ami lehet vezetékes vagy vezetéknélküli összeköttetés. Egyszerûbb esetekben (pl. távbeszélõ-összeköttetés) kifejezett jelfeldolgozásra nincs szükség. A csatornán megérkezett jelet a vevõ fogadja és átalakítja azt olymódon, hogy alkalmas legyen a hangszórók illetve fejhallgatók táplálására. Ezek az átalakítók az elektromos jelbõl hangjelet állítanak elõ. A hangszóró ill. hangszórók által keltett hangtér sokban függ a helység teremhangtani tulajdonságaitól is. Természetesen a fejhallgató keltette hang a fülben független ezektõl a jellemzõktõl. A fenti jelátvitel azonos idõben történik, vagyis az eredeti hangtérhez képest a mesterséges téridõben csak igen kis késéssel jelenik meg.

A jelátvitel speciális esete az, amikor a feldolgozott jelet valamelyik hangrögzítõre vezetjük. Ebben az esetben a hanghordozó (pl. hanglemez, kazetta stb.) jut el a fogyasztóhoz, aki tetszése szerinti idõpontban hallgathatja meg (lejátszás) a mûsort, vagyis az eredeti hangtér és a mesterséges hangtér megjelenése között nincs idõbeni kötöttség.

Ha a hangtér leképzéséhez csak egy mikrofonnal vesszük a jelet, vagy több mikrofont használunk ugyan, de ezek jeleit összegezzük, akkor egycsatornás, másnéven mono összeköttetést valósítunk meg. Természetesen az egy jelbõl reprodukált hangtérben semmiféle irányfelismerésre nincs lehetõség. A meghallgatott mûsorban megszólaló összes hangforrás csak az egy hangszóró irányából lesz hallható.

A térérzet kialakításához a hangtérbõl legalább két független, jól megválasztott jelet kell venni, és azokat külön csatornákon továbbítani. Ez a 60-as években bevezetett, és azóta széleskörben elterjedt sztereo rendszer, amelyet kidolgoztak az URH rádiózásra, valamint a különféle hangrögzítõ megoldásokra is. A legjobb térérzet úgy alakul ki, ha a mûsor lejátszásakor, illetve meghallgatásakor a két hangszóró és a hallgató egy egyenlõoldalú háromszög csúcsait alkotják (lásd 4.6. ábra).

Ugyanezen ábrasoron tüntettük fel a legjobb térérzetet keltõ négycsatornás, úgynevezett kvadrofon elrendezést is. Itt a hallgatóság a négyzet sarkaiban elhelyezett hangszórók által keltett tér belsejében foglal helyet. A legjobb térhatás a négyzet középpontjában jelentkezik. Ezt a rendszert a 70-es években dolgozták ki, de pénzügyi okok miatt széles körben nem terjedt el.

4.4. Az átvitel fajtái, minõségi követelmények

A mesterséges hangterek, amint azt az elõzõ pontban láttuk, különbözhetnek az átvitt független csatornák számában. Emellett nagy különbségek lehetnek az átvitt jel frekvenciatartományában, dinamikájában, a megengedett jel-zaj arányában és a torzítás mértékében is. Egy rendszer frekvenciatartományát azon frekvenciák határolják, ahol 3 dB jelszintcsökkenés lép fel a középfrekvenciás átvitelhez képest. A jel-zaj viszony az átvihetõ hasznos jel és a zaj effektív értékeinek arányát fejezi ki dB-ben. Dinamika a továbbított mûsor legerõsebb és leghalkabb részleteinek aránya dB-ben. A fentiekbõl következik, hogy a dinamika a jel-zaj viszony értékénél nagyobb nem lehet. Harmonikus torzításnak a többszörös frekvenciák összteljesítményének és az alaphang teljesítményének az arányát értjük %-ban kifejezve. Az átvitt, és reprodukált hangtér más, ha csak beszédet továbbítunk és más, ha zenei anyagot kell elõállítani. A legszerényebb igényeket a beszédátvitel minõségével szemben támasztjuk. Az úgynevezett Hi-Fi minõség alkalmas zenei mûsorok megfelelõ színvonalú reprodukálására. Ezen minõségi jellemzõket elõször a német DIN 45 500 szabványban fogalmazták meg. Legmagasabb mûszaki színvonalat az úgynevezett stúdió minõség jelenti, amelyet azonban csak a TV és rádióstúdiók költséges berendezései, valamint a nemrégiben közszükségleti célokra is kifejlesztett digitális készülékek teljesítenek.

Távbeszélõ-rendszerekben a beszéd érthetõ átvitele a cél lehetõleg gazdaságos módon. A 4.3. ábra alapján látható, hogy a beszédjel komponensei néhány száz Hz-tõl kezdõdõen 4-5 kHz-ig vannak jelen. A vizsgálatok szerint a jó beszédérthetõség már 3000 Hz felsõ határfrekvenciával megvalósítható. A beszélõ személyének felismeréséhez ennél valamivel nagyobb frekvenciák is szükségesek, ezért a távbeszélõ-technikában a 300-3400 Hz-ig terjedõ sávot szabványosították. A kívánatos jel-zaj viszony is igen szerény, kb. 20-25 dB, a megengedett torzítás pedig 5-10 %. A nagytömegben gyártott olcsó szénmikrofonokkal és mágneses fejhallgatókkal elérhetõ szerényebb sávszélesség, dinamika és torzítás eleget tesz a távbeszélõ-elõírásoknak.

Közép- és rövidhullámú amplitúdomodulált (AM) rádióadásokban már zenei mûsorokat is továbbítunk. A továbbított jel paraméterei valamivel jobbak. A frekvenciasáv felsõ határa 4.5 kHz-ig terjedhet, a jel-zaj viszony elérheti a 40 dB-t is. A frekvenciahatár növelése az adóállomások 9 kHz-enkénti frekvenciakiosztása miatt nem lehetséges. Ezekkel a paraméterekkel jó minõségû beszéd valósítható meg, ugyanakkor a zenei átvitel minõsége gyenge. Távoli, kis térerõsségû adók vételénél elõfordul, hogy a jel-zaj viszony úgy leromlik, hogy már a beszéd érthetõsége sem lesz kielégítõ.

Egészen más a helyzet az ultrarövidhullámú frekvenciasávokban, ahol az adóállomások 250 kHz-enként helyezkednek el. A jeltovábbításra pedig a kevésbé zavarérzékeny frekvenciamodulációt (FM) használjuk. A rendszer paraméterei jó minõségû zenei anyag reprodukálását is lehetõvé teszik. Az átvitel frekvenciatartománya 50 Hz-15 kHz-ig terjed, a jel-zaj viszony meghaladhatja a 60 dB-t és a torzítás 0.1 %-os szinten tartható.

Már a 60-as években kifejlesztették és azóta általánosan elterjedt az FM adások sztereo változata. Két, egymástól független jelet továbbítanak a monoval hasonló minõségben. A két jel közötti áthallási csillapítás mintegy 40 dB, amivel jó térhatás valósítható meg. A sztereo rendszer hátránya a monohoz képest a nagyobb zavarérzékenység.

A 70-es évek kvadrofon átvitel kísérleti adásait is az URH sávokon végezték. A meghallgatások eredményei azt mutatták, hogy a kvadrofon hangtérben a hangforrások lokalizálása minden irányban nagyon jó.

A méteres (VHF) és deciméteres (UHF) hullámsávokon mûködõ TV adások kísérõ hangjának paraméterei megegyeznek a mono adások jellemzõivel.

A 80-as évek végétõl egyre inkább elterjedõben vannak a mûholdas TV adások is. Ezek a mûsorok rendszerint több kísérõhanggal együtt kerülnek kisugárzásra. A kísérõhangok kombinációja többféle lehet. Ilyen lehetõség például a mono hang valamint ugyanezen hang két sztereo csatornája külön-külön, vagy a többnyelvû adások önálló csatornái. Ezek mellett még gyakran a TV-tõl független sztereo rádióadásokat is találunk ugyanitt.

A fenti hangátviteli rendszerek után tekintsük át a hangrögzítési eljárások jellemzõit is. Ezek közül legrégebben ismert a mechanikai hangrögzítés, amely a kezdetektõl nagy változásokon ment át, mindaddig, amíg kialakult a jelenlegi változata. A mostani hanglemezeken rögzített frekvenciasáv 40 Hz-16 kHz-ig terjed, a jel-zaj viszony eléri az 50-60 dB-t és a harmonikus torzítás 1 % körüli. A rögzítés két csatornán történik, amelyek között az áthallási csillapítás 20 dB.

Az analóg mágneses hangrögzítõk igen népes családot alkotnak. Ezek minõsége a csak beszéd rögzítésére alkalmas diktafonoktól kezdve egészen a sokcsatornás stúdióberendezések által elérhetõ minõségig terjed. Jelenleg a jó minõségû, közszükségleti kazettás magnók paraméterei megközelítik a lemezjátszókét. Az átlagos videomagnók kísérõ hangja az alacsony szalagsebesség miatt nem éri el a kazettás készülékek minõségét, felsõ frekvenciahatára kb. 8 kHz. Az úgynevezett Hi-Fi hangú videomagnók két hangcsatornát képesek rögzíteni 40 Hz-16 kHz-es sávban, 70 dB jel-zaj viszony mellett.

A digitális lézerlemezjátszó (CD) 16 bites felbontásával, 44.1 kHz-es mintavételi frekvenciájával képes a 10 Hz-20 kHz-es sávban, 96 dB jel-zaj viszony mellett két független hangcsatornát reprodukálni. A harmonikus torzítás maximum 0.005 %. A lézerlemezjátszóval kiváló minõségû sztereo hangteret lehet elõállítani.

A közszükségleti digitális hangmagnó (R-DAT) 12 és 16 bites felbontással, valamint 32, 44.1 és 48 kHz mintavételi frekvenciákkal dolgozik. A 40 kHz feletti mitavételezéssel a CD minõségét képes teljesíteni, míg 32 kHz-en és 12 bites felbontással a határfrekvencia 14 kHz-re, a jel-zaj pedig 88 dB-re csökken. Ez a minõség még mindig elég jó, ugyanakkor kétszeres játékidõre nyújt lehetõséget.

Legújabban megjelentek a CD minõségû, mûholdas, digitális rádióadások (Digital Satellite Radio) is. A rendszer különlegessége az, hogy a digitális hanginformáció mellett hasznos kisegítõ adatokat is továbbít. A segédkódok alapján a hallgató a különbözõ mûsorfajták (pl. hírek, tánczene stb.) szerint választhatja ki az adókat.

Összefoglalva az eddigieket, megállapíthatjuk, hogy a távbeszélõ-összeköttetések csak beszédátvitelre alkalmasak. Az AM rádiók és a videomagnók már jobbak, de még nem alkalmasak jó minõségû zenei anyag reprodukálására. A Hi-Fi minõségre az URH rádióadások, a TV kísérõhangok, a Hi-Fi hangú videomagnók, a jó minõségû kazettás magnók és a hanglemezek meghallgatásakor lehet számítani. A stúdió minõséget a professzionális berendezések és a közszükségleti digitális hangrögzítõk (CD és R-DAT), valamint a digitális mûholdas rádiók (DSR) érik el. A felosztást nem tekinthetjük véglegesnek, hiszen a készülékek rohamos fejlõdésével a továbbiakban is számolnunk kell.

4.5. Elekroakusztikai átalakítók

Az elektroakusztikai átalakítók olyan eszközök, amelyek az elektromos energiát hangenergiává, a hangenergiát pedig elektromos energiává alakítják át. Az átalakítás két lépésben történik. Az elsõ lépésben az elektromos energiát alakítjuk mechanikai energiává. Ennek a folyamatnak az eszköze a valamilyen elektromos vagy mágneses erõhatáson alapuló elektromechanikai átalakító. Az átalakító szerves része egy mechanikai rezgõrendszer, amihez mereven kapcsolódik a nagyfelületû membrán. A mechanikai mozgási energiát ez a membrán továbbítja a légtérbe, olymódon, hogy a membrán mozgásba hozza a levegõ részecskéit, és az energia hanghullámok formájában tovaterjed. Inverz mûködés esetén a fenti folyamat fordítva zajlik le, vagyis a beérkezõ hanghullámok mozgásba hozzák az átalakító mechanikai rendszerét, majd a mozgással arányos jelet kapunk az átalakító elektromos oldalán. Egyes átalakítókban a membrán és a mechanikai lengõrendszer nem különíthetõ el.

Az átalakítók egy része vezérléses elven mûködik. Ez annyit jelent, hogy például a mechanikai energiával egy külsõ energiaforrás által leadott energiát befolyásoljuk. A vezérelt energia lényegesen nagyobb is lehet mint a vezérlõjel energiája, ezért ezeket aktív átalakítóknak is szokás nevezni. Ilyen eszköz például a távbeszélõk szénmikrofonja.

Az alábbi elektromechanikai átalakítókat használjuk a leggyakrabban:

Elektromágneses átalakító (4.7. ábra). Állandómágnesbõl, lágyvas saruból, gerjesztõtekercsbõl, membránból és feszítõrugóból áll. Nyugalmi helyzetben az állandómágnes keltette húzóerõ és a rugóerõ vannak egyensúlyban. A nyugalmi légrésméret s/2. Ha a tekercsen áram folyik át, ami növeli a mágneskör fluxusát, akkor a húzóerõ megnõ, a légrés pedig lecsökken. Ellentétes irányú áram csökkenti a húzóerõt, ezért a horgony eltávolodik. A jól méretezett átalakítóban a tekercs áramával arányos lesz a horgony nyugalmi helyzetébõl való elmozdulása. Fordított mûködésnél a hangnyomás keltette eredõ erõ elmozdítja a horgonyt. Az elmozdulás irányának megfelelõen a fluxusváltozás feszültséget indukál a tekercsben.

Elektrodinamikus átalakító (4.8. ábra). Állandó méretû légréssel rendelkezik. A légrésben mágnestér van, amelyben mozog egy áramvezetõ. Az áramvezetõ végei között feszültség indukálódik, ami arányos a légrésindukcióval, az áramvezetõ hosszával és a sebességgel. Ilymódon képes a mozgási energiát elektromossá alakítani. Ha árammal tápláljuk ezt a vezetõt, akkor ugyancsak az indukcióval, az áramvezetõ hosszával, valamint az árammal arányos erõhatás lép fel. A gyakorlati megvalósítás során nem egyetlen szál vezetõt, hanem egy úgynevezett lengõtekercset használunk, amelynek a teljes huzalhossza részt vesz az átalakításban.

4.7. ábra. Az elektromágneses átalakító 4.8. ábra. Az elektrodinamikus átalakító

felépítése felépítése

Elektrosztatikus átalakító (4.9. ábra). Lényegében egy merev és egy mozgatható elektródájú kondenzátor. A mozgatható elektróda vékony fémfóliából készül, amely egyúttal az átalakító membránja is. A másik vastag fémanyagból készül, szokásos elnevezése ellenelektróda. Az átalakító lineáris mûködéséhez szükség van egy egyenfeszültségû telepre, amely egy nagyértékû R ellenállással sorban kapcsolódik az elektródákra. Az elektrosztatikus erõ a vékony membránt az ellenelektródához vonzza.

Mivel a membrán szélei rögzítettek a fólia deformálódik. Járulékos feszültség hatására a sztatikus vonzóerõ az elõjeltõl függõen nõ vagy csökken. Ezáltal a membrán mozgásba jön, mivel jobban vagy kevésbé deformálódik. Ha hangnyomás éri a membránt, akkor az ismét jobban vagy kevésbé deformálódik. A méretváltozás eredményeképpen nõ vagy csökken a kapacitás. Gyors változások közben a kondenzátor töltése nem tud megváltozni, ezért a feszültsége változik meg. A feszültségeltérés az ellenálláson jelenik meg.

Piezoelektromos átalakító. Egyes anyagok szerkezete olyan, hogy mechanikai deformáció hatására a felületükön elektromos töltések jelennek meg. Fordított esetben az anyagra kapcsolt térerõtõl függõ deformáció jelentkezik. Ezt a piezoelektromos hatást használják fel mechanikai rezgések elektromos rezgésekké való átalakítására.

4.6. Mikrofon típusok

Az elõzõekben láttuk, hogy a hangjelek milyen széles választékát kell továbbítani, illetve rögzíteni. Ennek megfelelõen sokféle, különbözõ típusú és minõségû mikrofonokat használunk a hangvétel céljaira. A mikrofonok jellemzésére az érzékenységet, az érzékenység frekvenciamenetét és az iránykarakterisztikát szokás megadni. Az érzékenység az egységnyi hangnyomás hatására leadott feszültséget jelenti. A frekvenciamenet az érzékenység frekvenciafüggését jelenti. Az iránykarakterisztika a beérkezõ hanghullámok irányától való érzékenységfüggést (4.10. ábra) fejezi ki. Ez lehet zárt, vagy más néven gömbkarakterisztikájú mikrofon. A gradiensmikrofon nyitott, membránja mindkét oldalára hat a hangnyomás, ezért oldalirányból teljesen érzéketlen, a fõirányokból pedig maximális, de ellenkezõ elõjelû az érzékenysége. Az úgynevezett kardioid karakterisztika fõirányban maximális, és ez folyamatosan zérusra csökken.

A távbeszélõ-készülékekben nagy tömegben gyártott, olcsó szénmikrofonokat használunk. Elvileg ez egy egyenáramú feszültségforrásra kapcsolt változó ellenállás. Az ellenállásváltozás a membránra (4.11. ábra) jutó hangnyomás hatására lép fel. A középen elhelyezkedõ laza szemcséjû szénporhoz két, aranyozott elektróda érintkezik. Az alsó elektróda szigetelten a fémházhoz van erõsítve, míg a felsõ a membránnal együtt mozog. A szénszemcsék közötti átmeneti ellenállás a mozgás ütemében fog változni. Az ellenállás a kitérésnek nem lineáris függvénye, ezért a mikrofon torzítása elég nagy. Széleskörû elterjedését az aktív, nagy jelet eredményezõ mûködésének köszönheti. Napjainkban az elektronikus készülékek megjelenésével jelentõsége csökkenõben van.

Stúdió- és közszükségleti célokra egyaránt gyakran készítenek dinamikus átalakítóval mûködõ mikrofonokat. Felépítése a 4.12. ábrán látható.

4.11. ábra. A szénmikrofon felépítése 4.12. ábra. A dinamikus mikrofon

Az állandó mágneskör légrésébe helyezett lengõtekercs kivezetésein jelenik meg az indukált feszültség. A tekercs a membránnal együtt mozog, a hangnyomásnak megfelelõen. A mágneskör és a membrán a mikrofonházban helyezkedik el, amelyet elölrõl védõrács zár le. A zárt ház megnyitásával, a rácsméret alkalmas megválasztásával és még járulékos akusztikus elemek beiktatásával szálessávú, tetszõleges iránykarakterisztikájú mikrofon alakítható ki.

A stúdió- és méréstechnika eszköze a kondenzátormikrofon. Hengeres fémház (4.13. ábra) belsejében helyezkedik el szigetelten a tárcsaalakú ellenelektróda. A fémház végén kifeszített fémmembrán és az ellenelektróda közötti távolság 0.01 mm nagyságrendû. A mikrofont egyenfeszültségre kapcsoljuk egy igen nagy ellenálláson keresztül. A mozgó, kifeszített membrán okozta kapacitásváltozással arányos váltófeszültség jelenik meg az ellenálláson, amit kiszajú, nagy bemeneti ellenállású elõerõsítõre vezetünk. A pontos, precíz elkészítéssel, a stabil elõfeszültséggel elérhetõ, hogy a hitelesített érzékenység hosszú ideig állandó legyen.

Közszükségleti célokra használatos a kristálymikrofon. A szokásos felépítés szerint (4.14. ábra) a mikrofonházba rögzített bimorf kristályt a másik végéhez kapcsolt membrán mozgása fogja meghajlítani. A bimorf elem tagjai ellentétes feszültséget produkálnak, amelyek egyszerûen összegezhetõek. Mivel nagy a belsõ ellenállás, ezért a leadott jelet nagy bemeneti ellenállású erõsítõvel kell erõsíteni.

4.7. Hangszórók

A mesterséges hangtér elõállításának utolsó lépése az elektromos energia hangenergiává alakítása. Ennek legfontosabb eszköze a hangszóró. A mikrofonokhoz hasonlóan a hangszórók is különféle kivitelben készülnek.

Legnagyobb példányszámban az úgynevezett dinamikus hangszóró (4.15. ábra) van forgalomban. Az állandó mágneses mágneskör légrésében található a lengõcséve, ami a kúpos membránhoz csatlakozik. A membrán tengelyirányú mozgását a külsõ és a belsõ megfogások (rim, pille) biztosítják. A mágneskörhöz rögzített kosár tartja a rimet, és a hajlékony tekercskivezetések is a kosáron végzõdnek. A kivezetéseken a tekercsbe áramot bocsátunk. Az áram és a mágnestér kölcsönhatásaként tengelyirányú erõ keletkezik. Az erõ mozgásba hozza a nagy felületû membránt és ezáltal hanghullámokat kelt. Kisebb minõségi igényekre (pl. AM rádióvétel) elegendõ egy hangszóró. A teljes hangfrekvenciás sávot több - két vagy három - különbözõ frekvenciasávra tervezett hangszóróval lehet lesugározni.

A lesugárzás hatásfokát akusztikus illesztéssel lehet javítani. Ilyen eszköz például az exponenciálisan növekvõ keresztmetszetû tölcsér. Az átalakítót a tölcsér toroknyílásába helyezik. Hátránya, hogy a kisfrekvenciák átvitelére is alkamas tölcsér igen nagyméretû, ezért csak kisebb igényû térhangosításra használatos.

Érdekességként említjük meg, hogy viszonylag ritkán, de készítenek kondenzátor hangszórót is. A mélyhangok lesugárzásához nagy felület, a nyugalmi térerõ kialakításához külön nagyfeszültségû tápegység és speciális illesztõtranszformátor szükséges. Az ilyen felépítésû eszköz kistorzítású, egyenletes frekvenciamenettel rendelkezik, ára miatt azonban nem versenyképes.

4.8. Fejhallgatók

A fejhallgatók speciális, csak a fülre korlátozódó hangteret állítanak elõ. Nagy darabszámban használatos a távbeszélõ-készülékekben a mágneses hallgató. Ennek egy egyszerû, forgásszimmetrikus változatát ismertetjük a 4.16. ábrán. A mágneskör légrése szándékosan nagy, ezért a mágneses erõvonalak a mozgó horgonyon keresztül záródnak. A lágyvas horgonyt a rugalmas membrán tartja. A tekercs áramával gerjesztett tér növeli vagy csökkenti az állandó teret, így a horgony a nyugalmi helyzetéhez képest elmozdul. Ez a mozgás a fül zárt üregében nyomásváltozást produkál. Gyártáskor ügyelni kell a megfelelõ légrésméret beállítására.

Közszükségleti célokra leggyakrabban dinamikus hallgatókat gyártanak. Ezek felépítése olyan, mint egy lekicsinyített dinamikus hangszóró. A kis méretekkel megvalósítható a szélessávú átvitel.

4.9. Ellenõrzõ kérdések

1. Hogyan jellemezzük a hangot fizikailag?

2. Mik a hallás korlátai?

3. Sorolja fel a hang pszichofizikai jellemzõit!

4. Milyen mesterséges hangtereket hozunk létre?

5. Ismertesse a különféle mikrofonokat!

6. Ismertesse a hangvisszaadás legfontosabb eszközeit!

4.10. Feladatok

1. Számítsa ki, hogy az 1 Pa hangnyomás hány dB hangnyomásszint!

A (4.2) alapján 20 mPa-ra számítva .

2. Határozza meg a 100, 200 és 2000 Hz-es, 60 dB intenzitásszintû szinuszhangok hangerõsségeit!

A 4.4. ábra alapján: 40, 51 és 60 phon.

3. Számítsa ki az elõzõ hangok eredõ hangosságát!

A (4.7) alapján a hangosságértékek: son, amelyek összege 7,14 son.

Irodalomjegyzék:

[1] Valkó Iván Péter: Az elektroakusztika alapjai. Akadémiai Kiadó, 1963.

[2] Ivar Veit: Mûszaki akusztika. Mûszaki Könyvkiadó, 1977.

[3] Tarnóczy Tamás: Teremakusztika I. Akadémiai Kiadó, 1986.

[4] Ferenczy Pál: Hírközléselmélet. Tankönyvkiadó, 1974.

Rövidítések:

AM Amplitude Modulation - amplitúdómoduláció

CD Compact Disc - lézerlemez

DSR Digital Satellite Radio - digitális mûholdas rádió

FM Frequency Modulation - frekvenciamoduláció

Hi-Fi High Fidelity - Hanghûség

R-DAT Rotary Head Digital Audio Tape Recorder - forgófejes digitális hangmagnó

URH ultrarövidhullám