Пружинный ревербератор

Реверберацией называется остаточное звучание (послезвучание), наблюдаемое в помещениях после прекращения действия источника звука. Послезвучание возникает в результате многократных отражений звуковых волн от стен, потолка и других поверхностей. Если же источник продолжает излучать колебания, то звуковое поле в помещении представляет собой совокупность прямого звука и многократных отражений. Реверберация субъективно оценивается как «гулкость» звучания.

Ревербератор представляет собой устройство, имитирующее реверберацию. С этой целью на воспроизводимый сигнал накладывается последовательность его запаздывающих повторений (эхо-сигналов) с постепенно убывающим во времени уровнем. Схема звукового тракта с ревербератором Р приведена на рис. 1.

Основными характеристиками ревербератора являются следующие:

Импульсная реакция — зависимость напряжения на выходе ревербератора от времени при напряжении на входе в виде короткого импульса. Если интервалы времени между следующими друг за другом эхо-сигналами превышают 0,05 с, то на реальном сигнале они могут восприниматься слушателем раздельно (флаттер-эффект), что оценивается как дефект искусственной реверберации, т.к. в помещении эти интервалы существенно меньше и отдельные эхо-сигналы объединяются в слуховом восприятии. Звучание ревербератора весьма неприятно, если его импульсную реакцию составляют эхо-сигналы, следующие через равные интервалы времени, — явление, практически невозможное в помещении.

Время реверберации Тр — время, в течение которого напряжение на выходе ревербератора после выключения источника стационарного сигнала на его выходе уменьшается в 1000 раз (уровень спадает на 60 дБ) от первоначального значения. Напряжение должно убывать по экспоненциальному закону, так же как в идеальном случае убывает звуковая энергия в помещении после выключения источника стационарного звукового сигнала.

Эффект искусственной реверберации можно регулировать изменением времени реверберации, т. е. скорости убывания уровня эхо-сигналов, создаваемых ревербератором, или изменением соотношения уровней прямого и реверберационного сигналов. В устройстве по схеме рис. 1 соотношение уровней изменяется двумя переменными резисторами. Оба способа регулировки дают в некоторых пределах одинаковое изменение гулкости звучания. Это дает возможность в простых ревербераторах пользоваться регулировкой второго рода, что значительно упрощает их конструкцию.

Частотная характеристика коэффициента передачи ревербератора — зависимость напряжения на выходе ревербератора от частоты при постоянной амплитуде входного напряжения.

Частотная характеристика коэффициента передачи помещения (рис. 2) существенно зависит от положений громкоговорителя и измерительного микрофона. На частотной характеристике большого помещения пики расположены нерегулярно; в среднем они распределены с интервалом 4/Тр [Гц] , а перепад между пиками и провалами достигает 25 дБ и более. Для того чтобы достаточно хорошо имитировать акустические условия большого помещения, плотности пиков частотных характеристик коэффициентов передачи ревербератора и помещения должны быть сравнимы.

Существует несколько систем ревербераторов. Далее описывается пружинный ревербератор, поскольку он имеет небольшие размеры, относительно дешев, не сложен конструктивно и поэтому доступен для изготовления в любительских условиях.

Принцип работы пружинного ревербератора

Основой пружинного ревербератора является линия задержки, состоящая из двух преобразователей (датчика и приемника механических колебаний) и натянутой между ними цилиндрической пружины (см. структурную схему пружинной линии на рис. 3).

Входной сигнал, усиленный усилителем У1, преобразуется в колебательные движения крутильного типа подвижного элемента датчика Д, которые передаются пружине. Механическая волна распространяется по пружине и достигает приемника через время, определяемое скоростью распространения колебаний в пружине и ее длиной. Отразившись от приемного конца пружины, волна возвращается к датчику, затем снова к приемнику и т. д., постепенно затухая.

Первый эхо-сигнал в пружинной линии задерживается на время ∆t, а следующие за ним эхо-сигналы сдвинуты во времени один относительно другого на 2∆t; пики на частотной характеристике коэффициента передачи ревербератора располагаются с интервалом 1/2∆t, Гц (рис. 4).

Самодельный трехпружинный ревербератор

Технические данные ревербератора: плотность пиков на частотной характеристике ревербератора не менее 15 в полосе 100 Гц; средний интервал времени между соседними эхо-сигналами — не более 0,025 с; рабочий диапазон частот 150 — 3000 Гц; время искусственной реверберации 3 — 4 с на нижних частотах рабочего диапазона с постепенным понижением к верхним частотам до 1,5 — 2 с.

Время реверберации на частотах выше 3 кГц в помещении относительно мало и определяется потерями при распространении звуковой волны в воздухе. Поэтому создание искусственной реверберации на верхних звуковых частотах часто неприятно для слуха. Увеличение же времени реверберации на нижних частотах ухудшает четкость и разборчивость звучания. Время искусственной реверберации на верхних частотах в пружинном ревербераторе относительно мало и не превышает обычно 2 с; с понижением частоты оно постепенно увеличивается, достигая иногда 6 — 8 с. Поэтому в конструкции ревербератора следует предусмотреть демпфер, способствующий уменьшению реверберации на нижних частотах.

Выбор параметров ревербератора. Первые два пункта изложенных выше требований удовлетворяются в трехпружинном ревербераторе с временем задержки 0,029; 0,037 и 0,043 с. Плотность пиков на каждые 100 Гц частотного диапазона такого ревербератора — около 20; средний промежуток времени между соседними эхо-сигналами — около 0,025 с.

Расчет пружины. Пружина представляет собой механический фильтр нижних частот. При среднем диаметре витка D [мм] (рис. 5) из стальной проволоки диаметром d [мм] пружина пропускает колебания крутильного типа с частотами ниже частоты среза fс = 253 · 10³d/D².

При использовании стальной проволоки диаметром d для получения требуемой частоты среза fс [Гц] диаметр навивки в миллиметрах должен быть равен

Частота среза пружинной линии задержки должна быть 3 — 4 кГц.

Пружины изготовляют из стальной «рояльной» возможно более упругой проволоки диаметром 0,2 — 0,4 мм путем навивки на токарном или моточном станке плотно, виток к витку. Длина проволоки, приготовленной для навивки, должна несколько превышать значение 3,14Dn (n — число витков пружине). Часть крайнего витка пружины загибается в виде крючка. Уменьшение диаметра проволоки затрудняет навивку, а увеличение ведет к росту размеров ревербератора.

Время задержки сигнала в пружине практически не зависит от частоты (за исключением частот, близких к fс, где оно возрастает) и определяется как ∆t = 0,32n/fс.

Число витков пружины зависит от требуемого времени задержки и находится по формуле n = 3,14∆tfс.

Выбор типа преобразователя. В качестве преобразователя может быть использован намагниченный ферритовый ротор, совершающий крутильные колебания под действием переменного поля, создаваемого катушкой с магнитным сердечником. Однако наиболее целесообразно выполнить преобразователь с подвижной катушкой 1 (рис. 6), расположенной в поле постоянного магнита 2. Катушку поддерживает проволока 3. Ток звуковой частоты, проходя по катушке, взаимодействует с полем магнита и вызывает крутильные колебания катушки, которые передаются пружине 4. Приемник аналогичной конструкции осуществляет обратное преобразование.

На рис. 7 указаны размеры катушки, при которых обеспечивается диапазон частот 150 — 3000 Гц при использовании пружин из проволоки диаметром 0,2 мм.

Катушку преобразователя наматывают с клеевой пропиткой на оправе из дюралюминия (рис. 8 ) так, чтобы проволока проходила сквозь катушку, как показано на рис. 7. Катушка содержит 30 витков ПЭВ-1 0,04. Когда клей высохнет, катушку аккуратно снимают, слегка сжав оправку. Выводы катушек должны иметь длину 50 мм.

Один из концов проволоки, предназначенный для соединения с пружиной, загибается в виде крючка на расстоянии не далее 2 мм от катушки; другой конец, имеющий длину 30 мм, служит поддерживающей проволокой.

При навивке пружин из более толстой проволоки площадь поперечного сечения намотки катушки увеличивается приблизительно пропорционально кубу диаметра проволоки (при неизменной частоте среза).

Конструкция ревербератора (рис. 9). Три пружинные линии задержки конструктивно объединены общими для датчиков постоянными магнитами 2 с полюсными наконечниками 3 у датчика и 5 у приемника колебаний. Длина ревербератора и радиус навивки пружин определены диаметром проволоки 0,2 мм и частотой среза 4 кГц (при этом D = 3,54 мм). Каждая пружина 1 состоит их двух половин правой и левой навивки для предотвращения изменений ориентации катушек в магнитном поле при усталостном раскручивании пружин. Числа витков в пружинных линиях, обеспечивающие различные задержки ∆t, должны быть следующими:

∆t, s . . . . . . . . . . . 0,029 0,037 0,043

n . . . . . . . . . . . 2X182 2X230 2X270

Стальные проволоки 7 и 8 диаметром 0,1 мм, поддерживающие катушку датчика 4 и катушку приемника колебаний 6 в магнитных полях, проходят через отверстия в металлических столбиках 9, 10 и фиксируются винтами 12.

Катушки датчика и приемника, имеющие сопротивление по 3 Ом, соединяются последовательно на расшивочных платах 11, укрепленных на столбиках. Провода, подводящие ток к катушкам, проходят рядом с соответствующей поддерживающей проволокой и приклеиваются к ней в двух-трех местах.

В качестве постоянных магнитов используются части кольцевого магнита из феррита бария от неисправного громкоговорителя.

Время искусственной реверберации на нижних частотах уменьшает демпфер в виде полосок губчатой резины 1 (рис. 10), приклеенных к пластинам 2 из органического стекла и размещенных у поддерживающих проволок.

Усилители ревербератора (рис. 11). Усилитель датчика обеспечивает на катушках с общим сопротивлением 9 Ом напряжение 1 В, устанавливаемое потенциометром R1 при входном напряжении не менее 10 мВ. Чувствительность усилителя приемника составляет 0,1 мВ; номинальное выходное напряжение не менее 1 В при отношении сигнал/шум не менее 50 дБ.

В усилителе предусмотрена возможность смешивания основного и реверберационного сигналов; сигнал с переменного резистора R14 на выходе усилителя датчика подается в усилитель приемника после регулятора уровня R26; таким образом, смешивание сигналов проводится манипулированием резисторами R14 и R26.

Данные трансформатора ТР1: магнитопровод Ш6X6,5 из пермаллоя, обмотка I — 1800 витков ПЭВ-0,1, обмотки IIa и IIb — по 400 витков ПЭВ-0,1. Сначала наматывают 900 витков обмотки I, затем 400 витков двойного провода обмоток IIa и IIb и, наконец, 900 витков обмотки I.

Сборка и налаживание пружинного ревербератора. Сборку ревербератора начинают с установки на плате магнитов преобразователей и металлических столбиков. Затем укрепляют поддерживающие проволоки с катушками датчика и приемника в нижних отверстиях металлических столбиков и растягивают между катушками обе половины наиболее длинной пружины (∆t = 0,043 с). Если имеются «слипшиеся» витки, то нужно попытаться растянуть в этом месте пружину или заменить ее новой. Места соединений проклеивают, а выводы катушек пропаивают.

После этого включают усилители и проверяют работу первой линии задержки при синусоидальном сигнале на катушках датчика напряжением не более 0,2 В. Искажения кривой на экране осциллографа (преимущественно в области нижних частот) могут быть вызваны наличием «слипшихся» витков, люфтов в местах механических соединений, механическим контактом катушек с полюсными наконечниками.

Чрезмерное ограничение частотной характеристики пружинной линии в области верхних частот может быть вызвано неправильным расчетом пружины (это приводит к понижению частоты среза), наличием «слипшихся» витков и увеличенными по сравнению с рекомендованными размерами катушек преобразователей.

Аналогичным способом собирают и налаживают две другие пружинные линии. Затем устанавливают пластины с наклеенными полосками пористой резины. Степень сжатия резины между пластинами определяет время искусственной реверберации на нижних частотах.

Измерения в пружинном ревербераторе. Проверка правильности расчета времени задержки пружин и времени реверберации требует специальной аппаратуры, недоступной радиолюбителю. Поэтому все необходимые данные предлагается получить косвенными способами, включая звуковой генератор на вход ревербератора и вольтметр на его выход. Измерения следует проводить для каждой пружинной линии задержки отдельно, отключив две другие.

Медленно изменяя частоту генератора, определяют интервал частот между соседними пиками ∆f; тогда задержка в пружине составит ∆t = 1/2∆f.

Определив соотношение пик/провал D на частотной характеристике коэффициента передачи ревербератора, нетрудно найти затухание g в данной области частот механической волны при однократном прохождении ее по пружине

и время искусственной реверберации в секундах T = ∆t/g, где g в децибелах.

Применение ревербератора. При работе источника звука в помещении направление прихода отраженных звуковых волн к слушателю, как правило, не совпадает с направлением прихода основного сигнала. Включение ревербератора в звуковой тракт согласно рис. 1 не является наилучшим, так как основной сигнал и эхо сигналы воспроизводятся одним громкоговорителем и по направлениям прихода к слушателю не разделены. Ощутимый эффект присутствия в большом зале дает разделение трактов основного и реверберационного сигналов в соответствии с рис. 12. Так как требования к частотной характеристике коэффициента передачи ревербератора не являются жесткими, громкоговорители распределенной системы, воспроизводящие реверберационный сигнал, могут быть пониженного качества. При ограниченных возможностях распределения система может быть заменена одним громкоговорителем, расположенным за спиной слушателя и с вертикально ориентированной рабочей осью.

Материал взят из книги:

«Справочник радиолюбителя-конструктора». (Массовая радио-библиотека. Выпуск 1043)
Москва. «Радио и связь», 1983.