Dominik Zieliński Sebastian Gierłowski Krystian Łepkowski NAGŁOŚNIENIE Dominik Zieliński Sebastian Gierłowski Krystian Łepkowski

Dźwięk Dźwięk – wrażenie słuchowe, spowodowane falą akustyczną rozchodzącą się w ośrodku sprężystym (ciele stałym, cieczy, gazie). Częstotliwości fal, które są słyszalne dla człowieka, zawarte są w paśmie między wartościami granicznymi od ok. 16 Hz do ok. 20 kHz.

Co to jest Nagłośnienie? Jest to zespół czynności mający na celu wzmocnienie źródła dźwięku i prezentacja w czasie rzeczywistym.

Historia nagłośnienia Pierwsze elementy nagłośnienia możemy spotkać w starożytnej Grecji, gdzie specyficzne położenie oraz kształt teatrów pozwalał na wzmocnienie głosu bez zwiększonego wysiłku ze strony aktora. Wiele wieków później zaczęto stosować specjalne tuby nagłaśniające które dzięki rezonansowi, wzmacniały głos człowieka

Wynalezienie lamp elektronowych pozwoliło na silniejsze wzmocnienie głosu oraz instrumentów. Odkrycie zjawiska półprzewodnikowego a potem wynalezienie tranzystora pozwoliło na minimalizację układów nagłaśniających.

Podstawowe elementy nagłośnienia

Głośnik Głośnik – przetwornik elektroakustyczny (odbiornik energii elektrycznej) przekształcający prąd elektryczny w falę akustyczną. Pierwszy głośnik elektryczny - dictograph, prototyp większości dzisiejszych systemów, został skonstruowany w 1906 roku, przez Millera Reese'a Hutchinsona i Kelly'ego Turnera z Hutchinson Acoustic Co. z Nowego Jorku. Pierwszy raz publicznie użyto elektrycznych głośników we wrześniu 1912 roku, kiedy firma Bell Telephone Co. we współpracy z Western Electric zainstalowała dwa chłodzone wodą nadajniki głośnikowe, induktor i dziesięć głośników w teatrze Olympic w Chicago.

Budowa typowego głośnika

Rodzaje głośników Magnetoelektryczne (dynamiczne) - w polu magnetycznym magnesu umieszcza się przewodnik (cewkę magnetyczną) w którym płynie prąd elektryczny. Oddziaływanie magnesu i przewodnika z prądem wywołuje ruch przewodnika, do którego przymocowana jest membrana. Elektromagnetyczne - przepływ prądu o częstotliwości akustycznej powoduje powstanie zmiennego pola magnetycznego. Pole to magnesuje rdzeń ferromagnetyczny połączony z membraną. Przyciąganie i odpychanie rdzenia powoduje drgania membrany.

Rodzaje głośników cd Elektrostatyczne - na naelektryzowaną membranę z cienkiej folii (mającą napyloną warstwę metaliczną z jednej lub dwu stron, bądź będącą elektretem) oddziałują dwie perforowane elektrody, umieszczone z obu stron folii (jedna elektroda ma odwróconą fazę sygnału o 180 stopni w stosunku do drugiej), w ten sposób wywołując drgania folii w takt sygnału. Magnetostrykcyjne - pole magnetyczne wywołuje zmianę wymiarów materiału ferromagnetycznego (zjawisko magnetostrykcyjne). Ze względu na duże częstotliwości drgań własnych elementów ferromagnetycznych, tego typu głośniki stosowane są do otrzymywania ultradźwięków.

Rodzaje głośników cd Piezoelektryczne - pole elektryczne wywołuje zmianę wymiarów materiału piezoelektrycznego, stosowane w głośnikach wysokotonowych i ultradźwiękowych, Głośnik plazmowy – rodzaj głośnika bezmembranowego, w którym funkcję membrany pełni łuk elektryczny wytwarzający plazmę.

Mikrofon Mikrofon – przetwornik elektroakustyczny służący do przetwarzania fal dźwiękowych na przemienny prąd elektryczny. Pierwszy mikrofon został skonstruowany w 1827 roku przez Charlesa Wheatstone'a. Jednak pierwsze mikrofony, tzw. mikrofony kwasowe, które pojawiły się w latach 70. XIX wieku za sprawą Graya i Bella wykorzystano w początkach telefonii

Rodzaje mikrofonów Mikrofon kwasowy-W latach 70. XIX wieku za sprawą Graya i Bella pojawiły się pierwsze mikrofony kwasowe, w których połączona z membraną iglica porusza się w rozcieńczonym kwasie. Wykorzystano je wówczas w raczkującej telefonii. Mikrofon stykowy (węglowy) - Mikrofony węglowe zostały opracowane przez Thomasa Alve Edisona jako rozwinięcie mikrofonu kwasowego, w którym kwas zastąpiono granulkami węgla, zmieniającymi swą rezystencję pod wpływem ciśnienia wywieranego przez membranę na granulat. Stosowano je przeważnie w telefonach. Zakres przetwarzania jest bardzo wąski, węższy niż widmo mowy ludzkiej, a zniekształcenia w porównaniu do innych typów mikrofonów są bardzo duże. Jednak konstrukcja mikrofonów jest tak prosta więc są one prawie bezawaryjne, posiadają one także dużą skuteczność oraz są trwałe i tanie.

Rodzaje mikrofonów cd Mikrofon piezoelektryczny - Pod względem elektrycznym mikrofony piezoelektryczne są kondensatorami. Przetwarzają one sygnał akustyczny w sygnał napięciowy. Są bardzo wrażliwe na wilgoć i zmiany temperatury, gdyż zbyt wysoka temperatura powoduje trwałe zmiany w ich działaniu. Wykazują one także bardzo dużą impedancję wewnętrzną o charakterze pojemnościowym, co utrudnia łączenie ich długimi przewodami. Szeroko natomiast stosowane są jako mikrofony, a ściślej - przetworniki, w instrumentach akustycznych. Szczególnie wiernie odtwarzają wysokie tony i są także stosowane jako czujniki ultradźwięków.

Rodzaje mikrofonów cd Mikrofon dynamiczny (magnetoelektryczny) - Drgania powietrza wytwarzane przez fale dźwiękowe poruszają cienką elastyczną membranę i połączoną z nią cewkę umieszczoną w silnym polu magnetycznym wytwarzanym przez magnes. W wyniku tego generowane jest napięcie na zaciskach cewki - siła elektrodynamiczna, czyli drgania umieszczonej pomiędzy biegunami magnesu cewki, wzbudzają w niej prąd elektryczny o częstotliwości odpowiadającej częstości drgań fal dźwiękowych. Podstawową zaletą tej konstrukcji jest prostota i brak konieczności zewnętrznego zasilania. Aby uzyskać wyższe napięcie na wyjściu mikrofonu, należy zastosować cewkę o większej ilości zwojów, która z kolei jest cięższa i ma większą rezystancję, a zatem i większą bezwładność i szumy termiczne, co w konsekwencji utrudni mikrofonowi przetwarzanie wyższych częstotliwości i szybkich impulsów.

Rodzaje mikrofonów cd Mikrofon pojemnościowy (elektrostatyczny) - Mikrofon pojemnościowy składa się z dwóch elektrod podłączonych do źródła napięcia stałego. Jedna z elektrod jest nieruchoma, natomiast drugą stanowi membrana wystawiona na działanie fal dźwiękowych, które wprawiają ją w drgania. Elektrody mikrofonu pełnią rolę okładek kondensatora więc zmiana odległości pomiędzy elektrodami powoduje zmianę pojemności takiego kondensatora, co z kolei powoduje powstanie składowej zmiennej w stałym napięciu zasilającym kondensator. Jej częstotliwość jest równa częstotliwości padającej fali dźwiękowej. Aby uzyskać duży sygnał wyjściowy, membrana mikrofonu musi być na dość wysokim potencjale względem elektrody nieruchomej. Zwykle jest to napięcie 48V, doprowadzone z zewnątrz ekranowanym kablem zasilającym, który jest jednocześnie kablem sygnałowym (tzw. zasilanie Phantom).

Rodzaje mikrofonów cd Mikrofon laserowy - Wiązka lasera odbijając się od drgającej powierzchni pada na element światłoczuły odbiornika. Wartość sygnału jest zależna od miejsca padania wiązki odbitej na elemencie światłoczułym. Dzięki wysokiej spójności wiązki lasera, membrana może znajdować się w znacznej odległości od nadajnika i odbiornika wiązki laserowej. Drgającą powierzchnią może być na przykład szyba w oknie - stąd możliwe są zastosowania tego typu mikrofonu przez służby specjalne. Mikrofon światłowodowy - Wiązka światła przesyłana przez pierwszy światłowód po odbiciu od środka membrany pada na początek drugiego światłowodu. Drgania membrany powodują zmiany natężenia światła, które następnie zostaja zamienione na sygnał elektryczny. Ze względu na małą masę membrany, która może być wykonana z cienkiej folii metalowej charakterystyka częstotliwościowa takiego przetwornika jest podobna jak mikrofonu pojemnościowego.

Wzmacniacz akustyczny Układ elektroniczny, którego zadaniem jest wytworzenie na wyjściu sygnału analogowego, będącego wzmocnionym sygnałem wejściowym, kosztem zużycia energii pobieranej ze źródła prądu.

Rodzaje wzmacniaczy Wzmacniacz Analogowy – rodzaj wzmacniacza w którym wzmocnienie sygnału następuje bez zmiany kształtu. Następuje tylko wzmocnienie amplitudy sygnału. Wzmacniacz cyfrowy – rodzaj wzmacniacza w którym wzmocnieniem sygnału zajmuje się dedykowany układ cyfrowy. Sygnał analogowy jest konwertowany do postaci cyfrowej. Dodatkowo może być modyfikowany (dodanie echa itp.).

Rodzaje wzmacniaczy cd Wzmacniacz impulsowy, wzmacniacz przełączający, wzmacniacz klasy D– układ elektroniczny wzmacniający, w którym tranzystory wyjściowe (zazwyczaj tranzytory polowe typu MOSFET) działają jako przełączniki dwustanowe (binarne): naprzemienne całkowicie przewodzą lub są całkowicie wyłączone. Odbiornik energii (np. zestaw głośnikowy w przypadku wykorzystania jako wzmacniacz elektroakustyczny) podłączony jest do wyjścia wzmacniacza impulsowego przez odpowiednio dobrany filtr dolnoprzepustowy. Kluczujący sygnał okresowy (przełączający) ma postać przebiegu przemiennego prostokątnego o częstotliwości przekraczającej 2-krotność górnej częstotliwości granicznej przyjętego pasma przenoszenia wzmacniacza impulsowego (zobacz: twierdzenie o próbkowaniu). Wypełnienie impulsów kluczujących uzależnione jest od wejściowego sygnału analogowego, zazwyczaj w układzie sprzężenia zwrotnego dla sygnałów analogowych mieszanych uzyskiwanych z pomocą modulatora delta-sigma, filtrów i dodatkowych wzmacniaczy.

Klasy wzmacniaczy Klasa A wzmacniacza występuje wszędzie tam gdzie poprzez tranzystory lub lampy stopnia końcowego zawsze płynie prąd spoczynkowy, bez względu na to czy podawany jest sygnał czy nie. I to jest cecha charakterystyczna tej klasy wzmacniaczy. Przepływ prądu jest duży i dlatego wzmacniacze te pobierają dużo energii, przy małej sprawności. Teoretycznie powinna ona wynosić 50%, praktycznie często nie przekracza 10 - 20%. Jest to poważna wada, bowiem  stosować musimy dużej mocy zasilacze i potężne radiatory. Jeżeli sygnał nie jest podawany, wzmacniacz pracuje jako grzejnik. We wzmacniaczach lampowych dochodzi jeszcze żarzenie grzejników lamp. Ale wzmacniacze takie mają też zalety - dają nam czysty, niezniekształcony dźwięk (pomijając wpływ innych elementów toru). Dlatego marzeniem wielu audiofilów jest posiadanie wysokiej klasy wzmacniacza klasy A.

Klasa B. Od wzmacniacza klasy A różni się tylko tym, że polaryzacja układu jest tak dobrana, aby tranzystory w stanie spoczynku nie przewodziły prądu. Dzięki temu nie grzeją się, a sprawność wzmacniaczy w klasie B jest wysoka - do 78%. W tej klasie każdy tranzystor wyjściowy (lampa) wzmacnia odpowiednio tylko jedną połówkę - albo dodatnią, albo ujemną. Na wyjściu połówki są sumowane, dając pełny, wzmocniony sygnał. Dokładne  zsumowanie obu połówek wymaga doskonałej jakości elementów i dokładnego ich zestrojenia. Największym problemem wzmacniaczy tej klasy są tzw. zniekształcenia skrośne. Ponieważ tranzystor czy lampa jest elementem nieliniowym, a małe sygnały są wzmacniane na  najmniej liniowej części charakterystyki, po złożeniu obu połówek sygnał wyjściowy różni się od podanego na wejście wzmacniacza. Największe zniekształcenia powstają przy przejściu sygnału przez zero.  Czystej klasy B nie stosuje się w sprzęcie Hi-Fi. Spotkać ją możemy w sprzęcie estradowym, gdzie ważna jest duża sprawność i moc, a mniejsze znaczenie ma wysoka  jakość odtwarzania.     Klasa AB Wzmacniacze klasy A wykorzystywane są rzadko, a wzmacniacze czystej klasy B - nigdy. Większość współczesnych wzmacniaczy pracuje w klasie mieszanej - AB. Tranzystory (lampy) są spolaryzowane tak, aby w stanie spoczynku  przepływał przez nie niewielki prąd. Przy słabych sygnałach wzmacniacz pracuje w klasie A, a przy większych -  w klasie B. Wzmacniacze klasy AB łączą zalety klas A i B: mają  nieduże zniekształcenia i stosunkowo dużą sprawność, rzędu 50 - 70%. W zależności od wartości prądu spoczynkowego mówimy o płytszej lub głębszej klasie AB. Czym większy prąd spoczynkowy, tym mniejsza sprawność, ale i mniejsze zniekształcenia.

Klasa AA Jest to sposób budowy wzmacniacza "dwa w jednym", czyli dobrej jakości wzmacniacz małej mocy, pracujący w klasie A, i drugi, który pracuje w klasie B, o większej mocy. Oba wzmacniacze są połączone specjalnym mostkiem tak, aby przy małych sygnałach pracował ten o mniejszej mocy, przy większym zaś sygnale płynnie włączany jest drugi, mocniejszy. Wzmacniacze takie mają niskie zniekształcenia nieliniowe i bardzo małe przesunięcia fazowe. Wzmacniacze takie propaguje m.in. Technics. Jest to bardziej klasa marketingowa, niemająca wiele wspólnego z tradycyjnym podziałem wzmacniaczy na klasy. Klasa C W tej klasie wykorzystuje się całą szerokość charakterystyki, także tą nieliniową. Wzmacniacze takie dają dużą moc, lecz o bardzo dużych zniekształceniach. Małe sygnały nie są wzmacniane. Wykorzystuje się je w układach generacyjnych, alarmowych, itp. 

Klasa D Producenci dążąc do polepszenia sprawności wzmacniaczy, zwrócili swoją uwagę na technikę impulsową. Jeżeli tranzystory będą na przemian albo całkowicie otwierane, albo całkowicie zamykane, uzyskamy tryb pracy w klasie D. Wykorzystuje się fakt, iż głośniki dynamiczne mają pewną bezwładność, ponadto pole magnetyczne w cewce głośnika nie zanika natychmiast w chwili przejścia tranzystorów w stan wyłączenia (zatkania). Ponadto stosuje się prosty filtr LC, dzięki któremu uzyskuje się niezniekształcony sygnał. Warunkiem otrzymania  prawidłowego przebiegu sygnału jest to, że otwieranie i zamykanie tranzystorów odbywa się z dużą częstotliwością (kilku lub kilkunastokrotna maksymalna częstotliwość sygnałów audio), a współczynnik wypełnienia impulsów jest proporcjonalny do chwilowej wartości sygnału audio. Wzmacniacze te nazywamy wzmacniaczami impulsowymi lub wzmacniaczami  o modulowanej szerokości impulsu (PWM, Pulse Width Modulation). Poziom głośności ustalany jest za pomocą regulacji napięcia wyjściowego z wzmacniacza. Sprawność takiego wzmacniacza jest bardzo wysoka, teoretycznie do 100%, praktycznie wynosi 90-95%, co i tak jest rewelacyjną wartością.

Klasa H Wzmacniacze tej klasy czasami znajdują zastosowanie w samochodowych zestawach nagłaśniających. Jak wiemy instalacja pokładowa samochodu podczas pracy silnika jest zasilana napięciem 14,4V. Umożliwia to uzyskanie mocy 25 W przy głośnikach o impedancji 4 Ohm. By uzyskać większe moce, zmniejsza się impedancję głośników do 2 Ohm, lub stosuje przetwornice, by uzyskać większe napięcia zasilania (np. +/-25V). Innym rozwiązaniem jest zastosowanie wzmacniacza klasy H, który jest rozwinięciem wzmacniacza klasy G. Podczas normalnej pracy wzmacniacz pracuje w klasie AB i jest zasilany napięciem pokładowym, czyli 14.4V. Gdy następuje zapotrzebowanie na większą moc, napięcie jest zwiększane za pomocą "ładunku pomp". Jest to układ zawierający dodatkowe wzmacniacze i baterie kondensatorów. Można powiedzieć, że pracujący wzmacniacz klasy H sam wytwarza w szczytach wysterowania wyższe napięcie, które umożliwia uzyskanie znacznie większej mocy wyjściowej. Warto zauważyć, że napięcie zasilające zwiększane jest w takt sygnału tylko w tym kanale i tylko wtedy, gdy jest to konieczne. Oprócz zwiększenia mocy, tak skonstruowany wzmacniacz daje też poprawę sprawności energetycznej.

Urządzenia nagłaśniające Megafon - głośnik lub (często) zestaw kilku głośników znacznej mocy (na ogół łącznie kilkudziesięciu lub kilkuset watów), służących do nagłaśniania otwartych przestrzeni (stadionów sportowych, ulic itp.) oraz bardzo obszernych wnętrz (np. hale dworców kolejowych, portów lotniczych itp.) Zazwyczaj montowane są na wysokości kilku metrów nad ziemią (na masztach lub pod stropem), aby zapewnić słyszalność także ze stosunkowo dużej odległości.

Urządzenia nagłaśniające cd Średniej wielkości i mocy głośniki do zastosowania wewnątrz budynków.

Urządzenia nagłaśniające cd Kolumny głośnikowe dużej mocy do zastosowań estradowych.

Wzmacniacz gitarowy (głośnik zintegrowany z dedykowanym wzmacniaczem lampowym lub tranzystorowym

Wzmacniacz ze zintegrowanym 10 kanałowym mikserem mono i 2 kanałami stereo

6 kanałowy wzmacniacz mono

Mikrofon bezprzewodowy z odbiornikiem