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