Статья "Стереотелефоны, часть 1"

Автор: 
Ирина Алдошина
Дата первой публикации: 
янв 2010

Классификация, конструкция, параметры.

Завершив серию статей по акустическим системам, переходим к анализу конструкций, параметров и классификации стереотелефонов. Во-первых, потому, что это в настоящее время — один из самых распространенных видов акустической аппаратуры. Во-вторых, именно в них внедряются самые передовые технологии цифровой процессорной обработки звука, особенно в связи с развитием систем "виртуальной реальности".

В соответствии с международными стандартами IEC 268-7, 581-10, 268-13 телефоном называется "электроакустический преобразователь, с помощью которого электрические сигналы преобразуются в акустические колебания, предназначенный для работы в условиях акустической связи с ухом". Таким образом, принципиальным отличием телефона от громкоговорителя является то, что он не предназначен для излучения звука в открытую окружающую среду, а может использоваться только при нагрузке на ухо (рис. 1). Это существенно меняет методы его проектирования, а также методы измерения и оценки его параметров. Головным телефоном (headphone) называется "один или два телефона на оголовье". Стереофоническим называется "двухканальный головной телефон, предназначенный для индивидуального прослушивания стереофонических записей".

Головные стереофонические телефоны широко применяются в настоящее время в различных областях техники: студийной звукозаписи, при контроле звука в кино, телевидении, радиовещании и концертно-театральных представлениях, в системах домашнего и профессионального звуковоспроизведения, в мобильных устройствах (плеерах, сотовых телефонах и др.), в различных служебных системах связи и оповещения. За последние годы в технике проектирования и методах оценки качества стереотелефонов произошли существенные изменения, благодаря внедрению новых технологий и применению цифровых адаптивных процессоров для передачи пространственного звукового образа. Разработкой и производством современных стереотелефонов занимаются в настоящее время такие крупнейшие фирмы как AKG, Sennheiser, Beyerdynamic, Koss, Sony и многие другие.

История развития
История развития телефонов начинается с конца XIX века, когда А. Белл изобрел фонограф, получивший широкое распространение (рис. 2). Поскольку еще не было изобретено усилителей (они появились после изобретения анодной лампы в 1907 году), телефон был единственным средством воспроизведения звука.

Первые головные телефоны появились в 1919 году (внешний вид показан на рис. 3). В них использовались излучатели с "балансной арматурой" (принцип действия описан в предыдущих статьях по громкоговорителям). У телефонов была очень неудобная конструкция крепления на голове и довольно низкие технические характеристики. Однако это был очень значительный шаг в их развитии.

В 30-е годы фирма Beyerdynamic представила на рынок первую промышленную потребительскую модель головного телефона. С 1937 года она начала выпуск электродинамических телефонов (использующих миниатюрный динамический громкоговоритель, который изобрели Rice и Kellog в 1926 г). В 1950 году компания представила первую модель телефона, воспроизводящего широкий частотный и динамический диапазон. К 1958 году John C. Koss (джазовый музыкант и основатель одноименной фирмы) создал первый стереотелефон категории Hi-Fi, который обеспечивал высокое качество звучания и при этом был портативным и удобным для применения. С этого времени стереотелефоны стали широко использоваться в студийной и исполнительской практике. В 1979 году фирма Sony начала выпускать миниатюрный кассетный плеер Walkman, и к нему — миниатюрные стереотелефоны. В 80-е фирма Koss представила модель беспроводного стереотелефона с инфракрасным передатчиком, другие производители создали модели беспроводных стереотелефонов, работающих с радиопередатчиками.

С этого периода быстрое развитие новых технологий и материалов позволило начать выпуск десятков моделей стереотелефонов, в том числе использующих передовые цифровые технологии для создания пространственного звука (например, стереотелефоны с технологией Headzone фирмы Beyerdynamic).

Внешний вид современного стереотелефона К240 фирмы AKG и его упрощенная конструкция показаны на рис. 4а, б. Стереотелефон содержит два телефона, каждый из которых включает в себя преобразователь (1), корпус (2), амбушюр (3), оголовье (4), кабель (5) и соединитель (6). Преобразователь (излучатель) является основной частью телефона, обеспечивающей преобразование электрической энергии в акустическую. Корпус предназначен для защиты излучателя от повреждений, для обеспечения необходимой акустической нагрузки на него и для закрепления оголовья. Амбушюром называется кольцевая прокладка из упругого материала, обеспечивающая акустическую связь телефона с ухом. Оголовье предназначено для соединения двух телефонов и закрепления их на голове слушателя.

Классификация
Классификация стереотелефонов может быть выполнена по различным признакам: по способам их конструктивной реализации и видам акустической нагрузки, по способам подведения к ним сигнала, по принципам преобразования электрической энергии в акустическую в излучателях, по областям применения, по видам процессорной обработки и др.

По способам конструктивной реализации и видам акустической нагрузки стереотелефоны в соответствии с рекомендациями ITU-T P.57 можно разделить на следующие категории: охватывающие (circumaural), прижимные (supra-aural), вкладные внутриушные (earbud: supra-concha и intra-concha) или внутриканальные (in-ear).

Охватывающим называется телефон, амбушюр которого охватывает ушную раковину и прижимается к голове (рис. 5).

Прижимным называется телефон, прижимаемый снаружи к ушной раковине (рис. 6).

Вкладным — непосредственно вводимый в полость ушной раковины (earbud).

Вкладные телефоны могут быть следующих видов: находящиеся на перегородках ушной полости (supra-concha) и непосредственно внутри нее (intra-concha), рис. 7, или вводимые в слуховой канал (in-ear), рис. 8.

Тип акустической нагрузки определяется способом акустической связи преобразователя с ухом слушателя и окружающей средой, по этому признаку телефоны разделяются на два типа: закрытые и открытые.

Закрытые телефоны имеют плотные амбушюры и корпус без отверстий, то есть они нагружены на замкнутый объем. В зависимости от формы амбушюра закрытые телефоны могут быть либо охватывающими, либо прижимными, либо вкладными.

Открытыми называются телефоны, электроакустический преобразователь которых сообщается с открытым пространством, как через пористый амбушюр, так и через отверстия в корпусе (рис. 9).

Каждый тип конструктивного оформления телефонов имеет свои преимущества и недостатки.

Охватывающие закрытые телефоны нагружены на замкнутый объем (~30 куб. см, диаметр амбушюра 55 мм), они полностью изолируют слушателя от влияния окружающей среды. Это явление вызывает у него быструю утомляемость. Кроме того, появляется ощущение давления на уши, возникающее из-за герметичности объема под амбушюрами (которое трудно уменьшить, так как при этом может нарушиться герметичность и, как следствие, эффективность воспроизведения низких частот).

По этой же причине увеличивается акустический импеданс и становится слышен шум потоков крови и мускульных движений (как в морских раковинах, приложенных к уху). Этот эффект называется "occlusion effect". Именно в таких телефонах имеет место сильно выраженная неестественная локализация звукового образа внутри головы (это явление называется "латерализацией"), возникающая из-за отсутствия дифракционных эффектов на голове и ушных раковинах, которые имеют место при прослушивании через громкоговорители (подробнее об этом дальше).

Однако закрытые телефоны обладают самыми лучшими характеристиками воспроизведения в области низких частот (рис. 10а). При этом у них разброс АЧХ в низкочастотном диапазоне минимальный, поскольку имеющиеся утечки воздуха очень малы (только за счет неплотного прижима к голове и др.). К тому же посторонние шумы в помещении, где происходит прослушивание, не оказывают влияния на качество звука. Поэтому стереотелефоны такого типа широко применяются в студийной звукозаписи.

Прижимные закрытые телефоны не вызывают у слушателя чувство оторванности от окружающей среды, так как объем под амбушюром, вследствие сложной конфигурации ушной раковины, не может быть герметичным. Однако качество воспроизведения низких частот в них хуже (рис. 10б) и разброс АЧХ больше, за счет непредсказуемых утечек из-за неплотного прилегания амбушюра к ушной раковине.

Полуоткрытые стереотелефоны — средний вариант между закрытыми и открытыми типами телефонов (рис. 11). Часто они конструктивно выполняются как прижимные или охватывающие. Конструкция полуоткрытых телефонов использует амбушюры из плотного эластичного материала, связь с внешней средой происходит только через корпус. Они оптимально сочетают в себе достоинства вышеперечисленных типов телефонов. Для управления формой АЧХ на низких частотах в них иногда используются пассивные мембраны в отверстиях с контролируемым сопротивлением R2. Для низких частот эти мембраны звукопрозрачны, по мере повышения частоты выше резонанса диафрагмы они становятся закрытыми.

В таких телефонах отсутствуют многие недостатки телефонов открытого типа (больший уровень внешних шумов, худшее воспроизведение низких частот и др.), они довольно легки, не так дороги, универсальны по характеру использования, могут с высоким качеством работать как со стационарной, так и с переносной аппаратурой.

Открытые телефоны имеют по сравнению с закрытыми значительно меньшие размеры и массу. Они часто реализуются как вкладные телефоны (earbud) в ушную раковину и используются, как правило, для работы от малогабаритной звуковоспроизводящей аппаратуры. Вследствие малых размеров преобразователя и связи с окружающей средой малогабаритные телефоны не могут обеспечить высококачественного воспроизведения низких частот и защиты от проникновения внешних шумов. Однако они легки и удобны для работы в различных условиях. Их часто используют на высоких уровнях громкости, чтобы отстроиться от окружающих шумов, что создает значительную опасность повреждения слуха.

Внутриканальные телефоны (часто используемые как внутриушные мониторы — in-ear monitors, IEMs) вкладываются в ушной канал, блокируя проникновение внешнего шума (в них может обеспечиваться уменьшение уровня шума на 25-34 дБ), поэтому для прослушивания не требуется значительное увеличение уровня сигнала, что делает их более безопасными. Они могут быть универсальными или индивидуальными, в зависимости от того, как подогнана внешняя форма корпуса под индивидуальный слуховой канал (корпус изготовлен обычно из силикона, эластомера или вспененного пластика). При использовании в качестве мониторов IEMs они получают сигнал от приемника, который связан с микшерным пультом. Обычно используется беспроводная радиосвязь (хотя может применяться и проводная система). В этом случае на пульте установлен передатчик, обеспечивающий получение моно- или стереосигнала.

По способам подведения сигнала стереотелефоны могут быть разделены на проводные и беспроводные. Все стереотелефоны до последнего времени относились только к группе проводных. За последние годы появилось два типа беспроводных стереотелефонов: инфракрасные (INR) и радиотелефоны (RF). Инфракрасные стереотелефоны имеют встроенный приемник инфракрасного излучения и могут работать на расстоянии до 10 м (в пределах видимости). Первоначально они предназначались для телевизоров, но теперь их начали использовать для работы с компьютером (особенно учитывая, что современные компьютерные технологии позволяют распознавать и синтезировать речь, то есть вести речевой диалог). Обычно их используют в составе беспроводного "оголовья" (рис. 12), включающего в себя один телефон и микрофон, укрепленный на специальном креплении. Возможна конструкция оголовья с двумя телефонами и микрофоном.

Стереотелефоны с радиопередатчиком могут работать в диапазоне FM, VHF, UHF на расстоянии до 100 м. Диапазон FM (88-108 МГц) сильно перегружен радиостанциями и поэтому для стереотелефонов теперь используется редко. Обычно они работают в диапазоне VHF от 130-250 МГц и самом популярном сейчас диапазоне UHF (450-900 МГц), где обеспечивается минимальный уровень помех. "Оголовья" также выпускаются и с радиоприемниками, работающими в диапазоне от 1,88 до 1,90 ГГц (в Европе) и от 1,92 до 1,93 ГГц (США), стандарт DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication). В современных радиотелефонах, например, Hearo 999 фирмы AKG, используется цифровая радиосвязь, что обеспечивает низкий уровень шумов, широкий динамический и частотный диапазон, возможность подключения нескольких стереотелефонов к одному передатчику, а также широкие возможности для дополнительной процессорной обработки звука.

Влияние на слух
Как показали результаты измерений для большого количества слушателей, в среднем нормальные уровни прослушивания в стереотелефонах оказались на 8 дБ выше, чем в громкоговорителях. При прослушивании через громкоговорители информация об уровнях звука поступает к слуховому анализатору как с помощью воздушной акустической волны в слуховом канале, так и с помощью костной проводимости. При этом звук проходит немалое расстояние в воздушной среде, в которой высокие частоты активно поглощаются. Низкие частоты поглощаются в воздухе меньше, но зато они затухают за счет костной проводимости.

При прослушивании в стереотелефонах уровень костных вибраций меньше, и воздушная волна проходит в слуховом канале маленькое расстояния ввиду близости барабанной перепонки, поэтому ощущение громкости получается неадекватным, что и приводит к увеличению уровней прослушивания. Кроме того, в спектре звука, поступающего на барабанную перепонку, значительно выше уровень высоких частот.

Последние исследования показывают, что любая музыка может приводить к ухудшению слуха, если в течение длительного времени на малом расстоянии от уха создаются приносящие вред слуху уровни звука.

Воздействие на слуховой аппарат громких звуков в течение длительного времени приводит к необратимым потерям слуха (называемым нейросенсорной глухотой), вызванными повреждениями волосковых клеток внутреннего уха. Необходимо отметить, что наибольший эффект на повреждение волосковых клеток оказывают именно высокие частоты.

Негативное влияние на слуховые органы обнаруживается также по сдвигу порога слышимости (то есть по отклонению его от стандартизованного порога) после того, как они подверглись акустическому возбуждению. Вид пороговой кривой дан на рис. 13, из него видно, что минимальные пороги слуха (равные 0 дБ и ниже, что соответствует значениям звукового давления 2-10-5 Па и меньше) находятся в области 2-3 кГц.

Обычно вначале возникает временный сдвиг порога (Temporary Threshold Shift — TTS), который исчезает после периода восстановления (период этот может достигать 16 часов).

Если ухо подвергается очень длительным или очень высоким и частым акустическим возбуждающим воздействиям, может возникнуть постоянный сдвиг порога слышимости (Permanent Threshold Shift — PTS), указывающий на действительное ухудшение слуха. Значения минимальных порогов начинают повышаться до уровня 30-40 дБ в области 2-3 кГц, что существенно затрудняет прослушивание речи и музыки на тихих уровнях. Проведенное недавно массовое обследование порогов слуха в европейских странах показало значительное увеличение порогов слуха у молодого населения (которое особенно сильно подвергается воздействию громких звуков) за последние несколько десятилетий. Это вызывает тревогу ученых, врачей и педагогов, которые требуют принятия соответствующих защитных мер.

Особую группу риска создает широкое использование плееров с вкладными телефонами. Уровни звукового давления у барабанной перепонки могут достигать при этом 110 дБ. Исследования слуха у студентов показали, что средние уровни, используемые ими при прослушивании таких устройств, превосходят 85 дБ. Более чем 5% испытуемых обычно прослушивают плееры на уровнях выше 90 дБ. Учитывая, что прослушивание музыки через плееры происходит по несколько часов в день, опасность повреждения слуха при этом очень велика. Допустимые нормы на безопасное время прослушивания при разных уровнях в соответствии с международными рекомендациями OSHA Regulation 1910.95 представлены в таблице 1.

Сейчас в европейских странах обсуждается вопрос о том, чтобы плееры с вкладными телефонами выпускались с ограничителями на безопасных уровнях звука (эта проблема относится также и к прослушиванию музыки и речи на больших уровнях через системы звукоусиления в клубах, концертных залах и пр., где тоже рассматриваются законодательные ограничения).

5
Ваша: нет Средняя: 5 (голосов: 1)

Реклама

Рейтинг@Mail.ru