Osobitosti zvuka i zvučnog signala

|   1   |   2   |   3   |   4   |

Što je zvuk, točno?

Zvuk je oblik energije koja se manifestira kao fluktuacije tlaka u mediju kroz koji putuje. Najrasprostranjeniji medij kojeg rabi čovjek je zrak, ali zvuk se rasprostire i kroz vodu, ciglu, staklo, drvo i sve što ima gustoću. Niža temperatura niža brzina zvuka. Veća gustoća zraka (ili bilo kojeg medija) omogućava veće brzine zvuka. Tipično, zvuk se povezuje sa propagacijom kroz zrak i brzina rasprostiranja u uobičajenim uvjetima iznosi oko 340 m/s. Svjetlo se rasprostire daleko brže, oko 300'000'000 m/s. Stoga je lako izračunati koliko daleko je za vrijeme oluje 'puknulo' ako se uoči bljesak jer 'grom uvijek stiže nakon munje'. Jedino mjesto gdje se zvuk ne može postojati u vakuumu ili okoliš pri temperaturi apsolutne nule (-273°C). Dakle, svi oni SF filmovi s fotonskim torpedima i blistavim eksplozijama (bez kisika) uz ogromnu buku, čista su izmišljotina, ne može se dogoditi u svemiru. Odsustvo medija sprječava rasprostiranje zvuka. Najveći štos je kad pogođeni svemirski brod 'pada' :-).

Zvuk je slijed valova u kojem se izmjenjuje kompresija i razrjeđivanje molekula medija. Kompresija se događa kada se izvor zvuka tjera molekule okolnog zraka na hrpu i tako povećava tlak zraka, a razrjeđivanje se događa kad se molekule zraka širi da popune veći prostor i uzrokuju pad tlaka zraka. Četiri mjerljiva parametra opisuju zvuk: amplituda, frekvencija, valna duljina i faza. Amplituda opisuje veličinu promjene tlaka u zraku. Amplituda se može mjeriti kako je prikazano na slici 2.1.

Slika 2.1 Amplitude signala.

Prema oznakama na slici 2.1 primjenjuju se slijedeća poimanja amplitude:

• 1. Vršna amplituda (Peak Amplitude).
• 2. Amplituda između dva vrha (Peak-to-Peak Amplitude).
• 3. Amplituda snage - efektivna vrijednost (RMS - Root Means Squared Amplitude).
  
  Pod amplitudom snage podrazumijeva se i pojam da je to sinusni električni signal konstantne amplitude, koji pojačalo može reproducirati u trajanju od oko 15 minuta bez novonastalih izobličenja signala i za taj iznos obično se kaže da je to NAZIVNA SNAGA (RMS snaga).
  
  Uz poimanje signala usko je vezan i pojam frekvencije.
  
  
• 4. Broj završenih ciklusa valnog oblika u jednoj sekundi. Mjera frekvencije je Hertz (Hz). Zvučni spektar sluha za ljude je između 20 Hz i 20'000 Hz. Frekvencije ispod navedenog raspona nazivaju se podzvučne, a one iznad navedenog raspona nazivaju se ultrazvučne.

Opis sinusnog signala obrađen je u poglavlju 1.3. Faza unutar zvučnog sadržaja opisuje odnos između dva ili više sinusnih valnih oblika koji tvore konačni valni oblik zvučnog sadržaja. Na slici 2.2 prikazan je mogući fazni razmak između dva sinusna signala iste amplitude. Analogno opisu u poglavlju 1.3, naredna slika opisuje što rade dva međusobno razmaknuta vektora tijekom vremena.

Slika 2.2 Fazni pomak između signala.

U grafičkom prikazu na slici 2.2 crvena krivulja koristi se kao referenca te je plava krivulja u odnosu na nju zaostaje za 90°. Odnosno, vektori prikazanih signala okreću se istom brzinom ali su međusobno razmaknuti za 90°. Ako se koriste izvori kojima su valni oblici iste amplitude i frekvencije, a fazna razlika je 0°, rezultat će biti isti valni oblik s dvostruko većom amplitudom. Ako su izvori vala iste amplitude i frekvencije ali je fazna razlika 180°, rezultat će biti amplituda veličine nula, ili tišina. Bilo koji drugi odnos faza će rezultirati u modificiranju valnog oblika s fazom koja je između faza njih dva. Gotovo svi zvukovi, osim sinusnih valova su kompleksni valni oblici, sadrže više signala različite amplitude i frekvencije.

Većina zvukova se sastoji od signala koje opisuju naredne četiri grupe frekvencija:

• Osnovna - Signal najniže frekvencije u zvučnom signalu. Prema glazbenom poimanju temeljno određuje 'visinu' (pitch) zvuka.
• Harmonici - Signali manje amplitude i više frekvencije od osnovne, kojima je frekvencija cjelobrojni višekratnik osnovne frekvencije. U osnovi su još manje amplitude ako je frekvencija osnovnog signala veća.
• Prizvuci (Overtones) - Signali kojima su frekvencije iznad osnovne frekvencije, ali koje nisu višekratnici osnovne frekvencije, odnosno nisu harmonici.
• Formanti (Formants) - Signali nastali zbog fizičkih, recimo rezonantnih, osobina izvora i kojima se amplituda i frekvencija emitiranja ne mijenja. Na primjer, emitira ih izvor zvuka zbog svojih fizičkih rezonantnih svojstava. Dakle, formanti se ne mijenjaju kada se mijenjaju svojstva osnovnih valnih oblika.

Teorija zvučnih valova bavi se i njihovim načinom kroz zrak ili kroz neki materijal. U tom smislu rasprostiranje zvučnih valova razmatra se u nekoliko kategorija:

• Prigušenje (Absorbtion) - Uklanjanje zvučne energije u mediju kroz koji zvučni val putuje ili pretvaranja energije zvučnog vala u druge oblike energije: toplinu, kinetičku energiju, električnu energiju ili neki drugi oblik. Zvuk će izgubiti dijelove svoje energije, kao da su upijeni.
• Lom (Refraction) - Zvučni valovi mijenjaju svoju brzinu, i smjer pri prolasku kroz medije s različitim gustoćama i temperaturom. Što je razlika u gustoći medija veća, veća je i promjena smjera rasprostiranja. Gušći materijal brži provodi zvuk. Viša temperatura medija omogućava brže provođenje zvuka kroz njega.
• Ogib (Diffraction) - Savijanje ili obilaženje zvuka oko fizičkih objekata. Stupanj obilaženja ovisi o relativnoj veličini objekta i valnoj duljini zvučnog vala. Općenito, zvučni val veći valne duljine lakše će obilaziti prepreku. Ako je zvučni val kompleksnog oblika komponente niske frekvencije će se savijati oko prepreke bolje nego komponente visoke frekvencije.
• Refleksija (Reflection) - Situacija kada se izvorni zvučni val sudara s glatkom površinom i odbija pod kutom koji je jednak kutu dolaska izvornog vala, ali na suprotnu stranu. Uglovi su posebno problematični, jer može doći do višestruke refleksije te da se reflektirani val 'vraća' istim smjerom kao i izvorni, što može dovesti do njihovog međusobnog pobijanja.
• Raspršenje (Diffusion) - Nepravilne površine mogu rezultirati difuzijom, odnosno raspršivanje zvučnog vala u raznim pravcima. U pravilu se dešava kada zvučni val nailazi na prepeku koja ima pukotinu kroz koju se vrši raspršivanje.

S obzirom na navedeno, u neobrađenoj prostoriji može se očekivati niz problema glede njene prihvatljive akustičnosti. Vrlo su različiti načini i materijali kako neku prostoriju učiniti akustički podobnom. Nije isto dizajnirati prostoriju za kućno kino i pravo kazalište. Osim toga kazalište potpuno popunjeno posjetiteljima ima kvalitetnije akustičke osobitosti u odnosu na poluprazno kazalište. Čovjek je dobar akustički apsorber.

Postoje dva načina gledanja na propagaciju zvučnih valova:

• Akustika zrake - Opisuje kako zvučni val visoke frekvencije reagira kada je u interakciji s objektima i medijima različitih gustoća. Val visoke frekvencije ponaša se kao sukcesivni pomak u slijedu složenih biljarskih kugli.
• Akustika vala - Opisuje kako zvučni val niske frekvencije reagira kada je u interakciji s objektima i medijima različitih gustoća. Val niske frekvencije ponaša se nalik valovima u vodi.

Zvuk ima osobitosti kao što ih ima svjetlo ili X-zrake, odnosno ima mjerljive parametre. Prema slici 2.1 povezuje ih slijedeća jednadžba (valna jednadžba):

Navedena jednadžba omogućava da se izračuna nekoliko kritičnih podataka koji se odnose na prostoriju u kojoj je kućno kino i percepciju slušatelja.

• Neka je brzina rasprostiranja zvuka C=340 m/s. Prostorija u kojoj se nalazi kućno kino ima dimenzije 7 m × 5 m × 3 m (dך×v), odnosno razmak između suprotnih zidova te stropa i poda. Kada dođe do refleksije zvučnog vala na zidu suprotnom izvoru, obijeni val se zbraja ili oduzima s izvornim, ovisno o tome jesu li međusobno u fazi ili protufazi. Ako su u fazi ukupna amplituda se povećava, a ako su u protufazi rezultat je drastičan pad ukupne amplitude. Dakle, moguća je konstruktivna i destruktivna refleksija. Prilikom refleksije zvučni val mijenja fazu i smjer. Interferencija dva vala jednakih amplituda koji se kreću jedan nasuprot drugoga urok su nastanka rezonantnog procesa koji se naziva stojni val. Na odgovarajućim valnim dužinama javljaju se čvorovi (amplituda jednaka nuli) i trbusi (udvostručena amplituda). To znači da navedenim dimenzijama prostorije odgovaraju rezonantne frekvencije 24 Hz, 34 Hz i 56 Hz, prema jednadžbi f=C/(2×dimenzija). Zvučni valovi tih frekvencija snažno će se pojačati i naglasiti u odnosu na ostale, a valovi manje i veće frekvencije će se gušiti, što dovodi do nelinearnosti zvučne slike. Harmonične komponente viših frekvencija nemaju tako negativan učinak zbog njihove mnogo manje amplitude. Glede navedenog oblogama zida i apsorpciji izvornog val treba posvetiti dužnu pažnju kako bi odbijeni zvučni val imao što manju amplitudu. Iz navedenog proizlazi da su trapezni prostori akustički povoljniji od klasičnih pravokutnih prostora ili posve okruglih. U malom prostoru jednakih dimenzija, npr. kad je razmaka između zidova i visina 2.80 m, javiti će se golema količina muklih tonova niske frekvencije oko 60 Hz. U takvom prostoru koristiti skupi sustav ozvučenja nema smisla.
  
  
• Neka je prosječni razmak između ušiju glave 20-30 cm. To znači da zvučni val na uši dolazi s vremenskom (faznom) razlikom. Ako je vremenska razlika veća od 1 ms pozicija slušnog doživljaja ovisi o zvučnom valu koji je prvi stigao do ušiju. Zakašnjeli zvučni val na drugom uhu postaje irelevantan u lokalizacijskom smislu. Kako uho registrira i razliku u zvučnom tlaku, te nije svejedno gdje se nalazi izvor zvuka jer upravo uška omogućava razlikovanje zvučnog tlaka s prednje i stražnje strane glave. Ljudi s većim i klempavim ušima imati će učinkovitiju lokalizaciju. Na veoma niskim frekvencijama, ispod 100 Hz, fazna razlika je zanemariva. Tada su pritisci na lijevom i desnom uhu gotovo u fazi. Zbog toga se na tako niskim frekvencijama ne dobiva dovoljno informacija za određivanje pravca nailaska zvuka, pa čovjek u toj oblasti praktično nema sposobnost lokalizacije pravca dolaska zvuka. Zbog toga je za reprodukciju niskih frekvencija dovoljan jedan zvučnik (subwoofer) koji uobičajeno reproducira frekvencije u rasponu od 20-200 Hz i ima poprilično veliku membranu, nekad i preko 30 cm, kao na slici 3.1b. Osim toga mora imati priličnu snagu, što je jasno iz izometrijski krivulja prikazanih na slici 1.2a.

Kako je glazba skup zvučnih valova različite amplitude i frekvencije, jasno je da njihov ukupni zbir ne daje ni približno pravilan oblik kako je prikazano na slici 2.1 već bi valni oblik izgledao prema primjeru na skupu narednih slika.

Slika*** 2.3 Signal glazbene datoteke - Ravel: Bolero, The New York Philharmonic. ( + / - )

Iz primjera se vidi da je dinamički raspon amplituda popriličan, te da se ni približno ne radi o kontinuiranom signalu iste amplitude i frekvencije, već da je to bogatstvo šarolikih signala. Dinamički raspon iznosi:

• Minimum RMS power: -143.18 dB
• Maximum RMS power: -8.66 dB
• Average RMS power: -25.67 dB
• Total RMS power: -23.77

Navedene vrijednosti odnose se na referentu vrijednost: 0 dB = FS Square Wave. Dakle riječ je o mjerama za digitalni zapis i sa slike 2.4d mogu se očitati pojedine točke uzorkovanja, a na osnovu navedenog RMS raspona jasno je da se radi o 24 bit-nom uzorkovanju (sample depth), frekvenciji uzorkovanja od 44.1 kHz (sampling rate), uz stupanj mp3 kompresije od 320 kbps (bit rate). Prosječna RMS vrijednost ukazuje da pojačalo za reprodukciju ne mora imati ogromnu RMS konstantnu snagu, ali da mora omogućiti što veći dinamički raspon.

Pa pretpostavimo da se za reprodukciju koristi pojačalo deklarirane (nazivne) snage 200 W koju može razviti na potrošaču od 4 Ω ili 8 Ω. Napon napajanja izlaznih tranzistora pojačala je ±62 V, što daje maksimalnu amplitudu od 60 V prema poziciji ' 1 ' na slici 2.1, RMS vrijednost napona od 42 V (efektivna vrijednost) prema poziciji ' 3 ' na slici 2.1, te raspon između dvije vršne amplitude od 120 V prema poziciji ' 2 ' na slici 2.1. Ovu posljednju mjeru rado će prikazati većina proizvođača drugorazredne opreme ali bez napomene o kojoj se amplitudi radi. Prema Ohmovom zakonu (P=U ² /R) RMS snaga na potrošaču od 4 Ω iznosi 440 W, pri čemu se navedenih 200 W odnosi na RMS snagu po kriteriju opterećenja u trajanju od 15 minuta sa signalom konstantne amplitude i frekvencije 1 kHz, bez povećanja izobličenja signala. Snaga amplitude signala prema navedenim parametrima iznosi 900 W. Raspon između dvije amplitude daje još upečatljiviju vrijednost - 3600 W, dušu dalo za razmetanje glede prodaje drugorazredne opreme.

Prema konstrukciji i osobitostima koje se prvenstveno odnose na izobličavanje signala, pojačala snage se mogu svrstati u nekoliko kategorija.

• Klasa A - Aktivni elementi pojačala rade u protutaktu i neprekidno obrađuju cijelu periodu signala, odnosno nema izmjeničnog uključivanja i isključivanja rada izlaznih komponenti; vrlo mala izobličenja; velika disipacija topline; iskorištenje je do 50%. Zbog vrlo malih izobličenja aktivni elementi predpojačala rade isključivo u klasi ' A '.
• Klasa B - Signal zasebno obrađuje jedan aktivni element za jednu poluperiodu signala, a drugi za drugu poluperiodu signala, odnosno izmjenično se uključuju i isključuju. Prisutna je nelinearnost u području reprodukcije malih signala, odnosno veća izobličenja u odnosu na klasu ' A '; manja disipacija topline; iskorištenje je oko 75%.
• Klasa AB - Kombinacija klasa ' A ' i ' B '; na način da izlazni aktivni element jedne poluperiode signala učestvuje malim dijelom u obradi druge poluperiode signala te se na taj način kompenziraju izobličenja kod malih signala; manja izobličenja u odnosu na klasu ' B ', ali i nešto veća disipacija; iskorištenje je između je 50% i 75%.
• Klasa C - Izlazni aktivni elementi pojačavaju samo vrhove poluperiode signala; ne koristi se u audio tehnici već u visokofrekventnoj tehnici.
• Klasa D - Takozvana 'digitalna' pojačala. Aktivni elementi rade u prekidačkom režimu rada na frekvenciji od oko 200 kHz. Pulsno-širinskom modulacijom utječe sa na ukupnu izlaznu snagu i tako dobiveni signal propušta se kroz nisko frekventni filtar prema potrošaču; veća izobličenja; vrlo visoko iskorištenje, teoretski 100%. Uz SPS napajanje pojačalo ima vrlo male dimenzije. Idealno za mobilne uređaje.
• Klasa E/F - Pojačala rade slično klasi ' D ', ali pobuđuju LC rezonantno kolo; ne koristi se u audio tehnici već u visokofrekventnoj tehnici.
• Klasa G - Kombinacija različito konfiguriranih dviju ' AB ' klasa uz dvije razine napona napajanja. Ostvaruje se veća dinamika i veća linearnost za male signale; povećana iskoristivost u odnosu na ' AB ' klasu.
• Klasa H - Automatsko se mijenja napona napajanja u skladu s veličinom signala, iako je način rada aktivnih elemenata istovjetan klasi ' AB '; povećana iskoristivost u odnosu na ' AB ' klasu.
• Klasa S - Pojačalo klase ' A ' niske snage daje snagu potrošaču preko pojačala klase ' C '; ne koristi se u audio tehnici već u visokofrekventnoj tehnici.

Dakle, prilikom kupovine uređaja, podrazumno je da će predpojačalo raditi u klasi ' A ', a ogromnim pojačanjem s jakim negativnim povratnim vezama izobličenja pojačala snage u klasi ' AB ' gotovo su zanemariva. Ono o čemu treba voditi računa je što veći raspoloživi dinamički raspon pojačala snage. Izobličenje treba da je manje od 0.05%, a dinamika oko 90 dB. Glede postizavanja veće dinamike treba voditi računa o vlastitom šumu pojačala. Za kvalitetnu reprodukciju razina šuma treba da je barem za 20 dB manja od najtišeg signala glazbe. Uzimajuću u obzir sve navedeno zadovoljavajuća snaga pojačala za kućnu uporabu je oko 150 W po kanalu.

|   1   |   2   |   3   |   4   |