Звук очень важен в мультимедийных системах. А хороший звук сразу показывает уровень исполнения проекта. Что бы достигнуть профессионального результата и не делать ошибок необходимо знать хотя бы основы звукотехники.
Линейный звуковой сигнал
Немного неточное название. Всё-таки правильнее говорить линейный уровень аналогового сигнала. И это тоже не совсем точно. 
В общем — все понимают данный термин, потому так и оставим.
Линейный звуковой сигнал — это наиболее распространённый звуковой сигнал в мультимедийных системах. Передаётся простым проводом, легко коммутируется, легко проверяется. Из недостатков — возможны разные помехи.
По современному стандарту 0 dBu соответствует 775 мВ, что соответствует мощности 1 мВт на нагрузке 600 Ом.
Уровень линейного сигнала придумали измерять не абсолютной цифрой, а отношением (точнее логарифмом, но это точно запоминать не надо) текущего уровня к базовому. И назвали это децибелом (обозначается dBu, dBv и т.д. в зависимости от того, что меряют). Есть базовый нулевой децибел, откуда всё и скачет. Если значение со знаком минус, то звук тише, если с плюсом — то громче. Чаще всего для передачи звука между профессиональными устройствами применяют уровень +8 dBu. Но принимать эту цифру за аксиому не следует — слишком много нюансов при настройке звука.
Один канал звука передаётся по двум проводникам — сигнальному и земле. Такая передача звука называется небалансной. При коротких кабелях всё отлично, но если требуется передать звук на длинные дистанции (более 10 метров) или если имеются сильные электрические наводки, то звук получит множество помех и искажений.
Часто балансный сигнал называют симметричным, а небалансный — несимметричным.
Для уменьшения этого был разработан балансный сигнал, который передаётся по трём проводникам — двум сигнальным и земле. Чаще всего проводники имеют красный цвет — «горячий», и синий цвет — «холодный». В профессиональной технике горячий сигнал обозначают знаком «+», а холодный знаком «-». Принцип передачи сигнала, если это заинтересовало, лучше почитать отдельно.
Микрофонный звуковой сигнал
Строго говоря, микрофонный сигнал относится к линейному, но так как есть некоторые различия, да и в аппаратуре входы обычно подписываются как Mic и/или Line, то рассмотрим его отдельно.
Микрофонный уровень соответствует напряжению, генерируемому микрофоном при воздействии на него звуковых волн, обычно это лишь тысячные доли вольта. Это напряжение зависит от громкости звука и расстояния от источника звука. Микрофонный сигнал имеет самый слабый уровень и требует предварительного усилителя, чтобы довести его до линейного уровня.
При подключении микрофона к линейному входу звук практически отсутствует, поскольку выдаваемый микрофоном уровень сигнала слишком слабый. При подключении источника с линейным уровнем к микрофонному входу звук будет очень громким и искажённым, поскольку линейный сигнал значительно сильнее, чем можно подавать на микрофонный вход.
Уровень сигнала микрофона обычно указывается в децибелах от линейного уровня и находится в диапазоне от -60 до -40 dBu.
Вторым отличием микрофонного сигнала является наличие фантомного питания. Это не относится к звуковому сигналу, но требуется для работы конденсаторных микрофонов. Так как микрофоны можно подключать разных типов, то фантомное питание делается отключаемым. Чаще всего напряжение фантомного питания равно 48 Вольтам.
Сигнал для акустических систем
Звук обязательно надо услышать, иначе зачем он нужен. Слушают звук чаще всего через акустические системы (АС). И их надо подключить.
Различают активные и пассивные акустические системы. Активные имеют встроенный усилитель мощности и подключаются с использованием обычного линейного сигнала (чаще всего балансного). Пассивные акустические системы требуют особых интерфейсов для подключения к усилителю мощности.
Пассивные АС делятся на трансформаторные и низкоомные. Низкоомные — это привычные всем домашние колонки. Их комплексное сопротивление (более умное слово — импеданс) составляет всего 4, 6 или 8 Ом. Изредка бывают акустические системы с импедансом 2 или 16 Ом. Все эти сопротивления (от
2-х Ом и до 16 Ом) очень небольшие, практически для усилителя это короткое замыкание. А если ещё учесть, что данное сопротивление измеряется по переменному току частотой 1000 Герц, то по постоянному току это просто ничего. Отсюда легко догадаться, что в таких АС проходят очень большие токи, и требуется толстый кабель для передачи таких токов. При этом подключение нескольких АС к одному выходу усилителя требует хорошего знания законов электротехники и не всегда простая задача. Но качество звука при таком подключении самое лучшее, поэтому оно и используется там, где нужен хороший звук.
Для упрощения работы с многочисленными акустическими системами придумали ставить трансформаторы на выходе усилителя и на входе АС. Это сильно упрощает монтаж систем — ведь все колонки просто цепляются параллельно на выход усилителя. Сейчас активно используется 2 стандарта таких трансформаторных систем — на 70 и на 100 Вольт. В принципе они равнозначны, и применяются обычно те, которые есть на складе неликвидов у поставщика.
Как рассчитать сопротивление низкоомных колонок
Если к выходу низкоомного усилителя нужно подключить несколько акустических систем, то обязательно нужно подсчитать общее сопротивление полученной комбинации. Это можно сделать, зная сопротивления каждой из акустических систем и зная схему их соединения между собой.
Полученное суммарное сопротивление должно быть либо равным выходному сопротивлению усилителя мощности (написано в документации), либо большим. Если сопротивление меньше, чем выходное у усилителя, то усилитель будет работать с перегрузкой и если он не совсем плохой, то будет срабатывать защита от перегрузки, а если плохой, то успешно сгорит выходной каскад.
Если суммарное сопротивление больше, чем выходное усилителя, то ничего не сгорит, но усилитель будет работать с пониженным КПД и не сможет развивать ту мощность, на которую рассчитан.
Для наглядности расчёт сопротивления будет для наиболее частых вариантов. Для упрощения все колонки будут одного типа с сопротивлением 8 Ом.
Вариант 1. Параллельное соединение 2-х колонок
Формула простая.
Подставляем значения R1 и R2 и получаем:
R = 1 / (1/8 + 1/8) = 4 Ома
Вариант 2. Параллельное соединение нескольких колонок
Считается аналогично предыдущему варианту.
Как видно, параллельное соединение акустических систем уменьшает общее сопротивление, поэтому относиться к нему нужно максимально внимательно, чтобы не сжечь усилитель.
Вариант 3. Последовательное соединение 2-х колонок
Тут все просто. Сопротивления суммируются.
Подставляем значения:
R = 8 + 8 = 16 Ом
Вариант 4. Последовательное соединение нескольких колонок
Формула аналогичная.
Последовательное соединение акустических систем увеличивает общее сопротивление, поэтому оно более безопасно. Ничего не сгорит, но звучать будет всё тише и тише.
Вариант 5. Параллельно-последовательное соединение
Таких комбинаций можно придумать бесконечно много, поэтому рассмотрим для примера одну наиболее вероятную.
Такую схему проще всего разбить на куски и считать отдельно.
Сначала колонки 1 и 2 объединим в одну с сопротивлением 16 Ом. Аналогично колонки 3 и 4 так же в одну с таким же сопротивлением. Далее две полученные колонки соединены параллельно, поэтому считаем по знакомой формуле:
R = 1 / (1/16 + 1/16) = 8 Ом
Как не сжечь колонки и усилитель?
И колонки, и усилитель стоят денег. Хочется, что бы они работали долго и умерли в один день не портились. Отсюда появилась необходимость в соблюдении простых правил при монтаже АС.
Для 100 или 70 вольтовых систем достаточно просуммировать мощности всех подключённых АС и сравнить сумму с выходной мощностью усилителя. Суммарная мощность колонок должна быть равна или меньше мощности усилителя.
Для низкоомной акустики все немного сложнее. Если на выходе усилителя только одна акустическая система — просто её мощность должна быть большей или равной мощности усилителя (при этом выходное сопротивление усилителя и входное сопротивление акустической системы должны совпадать). И мощность у АС надо смотреть не простую, а музыкальную. Только на такой мощности колонка может играть долгое время.
При подключении нескольких колонок к выходу усилителя нужно учитывать множество параметров как это было описано выше, и после расчёта общего сопротивления использовать те же правила, что и для одной колонки.
Для низкоомной акустики очень важно выбирать правильное сечение кабеля. При недостаточном сечении проводника и больших токах может оплавиться изоляция кабеля (особенно, если кабель некачественный). Дальше может произойти что угодно.
Подключать несколько низкоомных колонок на один выход усилителя можно только после выполнения всех коммутаций! Нельзя подключать частично соединённые колонки, неизвестно, какое у них сопротивление в этот момент.
Обработка звука
Звук в чистом виде в очень редких исключениях может быть сразу воспроизведён в помещении с нормальным результатом. Чаще всего без обработки слушать полученный звук не очень комфортно.
Для обработки звука придумали целую кучу устройств. Наиболее распространённые в мультимедийных системах — это цифровые звуковые процессоры. Инженеры напихали в них в виде программных модулей всевозможные блоки — фильтры, задержки, эквалайзеры и прочее. И очень удобно простыми движениями мышки создавать систему обработки и коммутации звука накидывая картинки на рабочий стол.
Иногда применяются и отдельные устройства обработки звука. К примеру подавители обратной связи в помещениях с микрофонами. Но это оправдано только тогда, когда отдельное устройство работает на порядок лучше универсального цифрового процессора.
Аналоговые звуковые интерфейсы
Тюльпаны
Цвета разъёмов: белый для монофонического сигнала или левого канала стерео, красный — для правого канала стерео.
Один из самых распространённый соединителей с кучей названий. Хотя официально он называется разъём RCA. Название произошло от имени компании Radio Corporation of America, предложившей этот тип разъёма в начале 1940-х годов.
Хоть разъём и считается бытовым, но в профессиональной технике применяется очень часто. К тому же этот разъём хорошо приспособлен для пайки, особенно когда необходимо изготовить нестандартные переходные кабели.
Большим недостатком таких соединителей является то, что при подключении сначала соединяется сигнал (центральный контакт), а лишь затем контакты корпуса. Это может вызвать повреждение приборов при плохом заземлении. Хотя имеются дорогие разъёмы с подпружиненными колечками, которые этого недостатка лишены.
Джеки и миниджеки
Правильное название семейства этих разъёмов — TS (Tip, Ring) или TRS (Tip, Ring, Sleeve), это зависит от того, разъём моно или стерео. Но все их называют Джеками, и они не обижаются. В последнее время для гарнитур часто применяется разъём с двумя колечками, и называются они — TRRS. Попробуй угадать, как будет называться разъём с тремя колечками!
Сам разъём очень старый, использовался ещё в XIX веке в телефонных станциях с симпатичными барышнями.
Существуют три стандартных диаметра разъёма:
- Jack (6,35 мм, 1/4 дюйма)
- mini-Jack (3,5 мм)
- micro-Jack (2,5 мм)
Разъёмы XLR
Ещё его называют Кэнон. Наверное, потому, что его изобрёл Джеймс Кэнон, основатель компании Cannon Electric в Лос-Анджелесе. Вообще то разъём создавался для самолётов Боинг, но прижился и на земле в профессиональных звуковых системах.
У разъёмов XLR есть очень простое правило для определения направления передачи звука. Звук всегда идёт туда, куда направлены штырьки у папы.
Эти разъёмы могут иметь три, четыре и более контактов. Трёх контактные разъёмы XLR имеют наибольшую распространённость в звуковом оборудовании. Они применяются для балансной передачи аналоговых сигналов микрофонного или линейного уровня, цифровых сигналов, а также синхросигналов.
С этими разъёмами для передачи звука обычно используют так называемые микрофонные кабели. Они имеют 2 медные жилы, обычно красную, то есть «горячую», и синюю, то есть «холодную». Медная оплётка закрывает обе жилы и по ней соединяется земля. Чем гуще оплётка — тем качественнее кабель. Очень хороший признак.
Разъёмы Феникс
Очень распространённый разъём в профессиональной технике. Используется не только для звука, но и для подключения многих других сигналов. Очень удобен тем, что не требует пайки. Название разъёма произошло от названия фирмы-разработчика PHOENIX CONTACT GmbH & Co. KG из Германии.
Разъём стал очень популярным в профессиональной технике из-за высокой плотности соединений. На небольшом участке корпуса устройства можно разместить множество входов и выходов звука, что недостижимо при использовании других разъёмов.
Разъёмы имеют самые различные размеры и количества контактов, так что надо внимательно следить за этим и не стараться силой засунуть очень похожий разъём в неподходящее гнездо.
Совет от Петра Петровича
При заделке тонких звуковых проводов в клемму феникса лучше зачищенный участок провода (3-5 мм) отогнуть на изоляцию и зажимать уже вместе с изоляцией. Так получается гораздо крепче.
Разъёмы speakON
При подключении низкоомных акустических систем к выходу усилителя мощности возникает проблема передачи очень больших токов (десятки ампер). Разные производители выходят из этого по-разному — от простых винтовых зажимов до «бананов». Но наиболее удобным является разъём speakON разработанный компанией Neutrik AG из Лихтенштейна.
У данного разъёма есть очень похожий вариант powerCON для подключения электропитания. Эти разъёмы несовместимы.
Разъёмы рассчитаны на большие значения токов (30А или 40А) в каждом канале, в них предусмотрена защита от прикосновения к контактам, а также от случайного размыкания. Имеются варианты с количеством контактов от двух до восьми, что покрывает разные варианты подключения АС.
Акустический кабель для подключения низкоомных акустических систем отличается повышенной площадью проводников, позволяющей проводить большие токи. Конструкция кабеля может быть самой различной — встречаются даже коаксиальные исполнения (хотя смысла в этом на таких низких частотах просто нет). Жилы всегда маркируются либо цветом, либо особыми отметками, так как акустические системы обязательно нужно подключать синфазно, то есть одинаково.
В разъёме speakON для подключения простых колонок используются контакты «1+» и «1-». Для более сложных подключений (например, режима биамп) лучше смотреть документацию и не путать.
Цифровые звуковые интерфейсы
Toslink
Toslink (сокращённо от Toshiba Link) первоначально был разработан корпорацией Toshiba для передачи звука формата ИКМ между фирменными CD-плеерами и AV-ресиверами, но вскоре был адаптирован для большинства CD-плееров независимо от производителя.
Передача сигнала производится по оптическому волокну (часто пластиковому) и распространено в основном в бытовой технике.
S/PDIF и AES/EBU
Расшифровывается как Sony/Philips Digital Interface Format. Отсюда легко догадаться, кто разработал этот формат.
Профессиональный вариант S/PDIF называется интерфейсом AES/EBU (Audio Engineering Society/European Broadcast Union, или Общество аудиоинженеров/Европейский радиовещательный союз — организации, стандартизировавшие этот интерфейс).
Спецификации S/PDIF и AES/EBU допускают несколько типов кабеля и разъёмов. Оптический кабель совпадает с кабелем и разъёмами Toslink. В последнее время часто встречается оптический разъём mini-Toslink, который внешне очень похож на mini-Jack (3,5 мм).
Иногда встречаются готовые кабели с разъёмами RCA оранжевого цвета. Это коаксиальные кабели для передачи цифрового звука. Гнезда для них на аппаратуре так же имеют оранжевый цвет.
Экзотика
Здесь надо упомянуть специфические цифровые интерфейсы, которые делают некоторые фирмы для себя. Чаще всего они используют в качестве кабелей для передачи сигналов обычную витую пару, но это не локальная сеть и ошибаться с подключением нельзя.
Как пример можно привести фирму BSS с её протоколом BLU Link или конгресс-системы BOSCH с передачей звука по специальному кабелю DCN.
Передача звука по IP
В последнее время все чаще используется цифровая передача звука по стандартным локальным вычислительным сетям с использованием протокола IP. Такую передачу разрабатывали многие компании, но так получилось, что в настоящее время лидирующим решением стал протокол Dante от австралийской компании из Сиднея Audinate Pty. Ltd.
Протокол был разработан в 2006 году, но самое главное — кроме протокола компания разработала все необходимые микросхемы и до сих пор выпускает их самостоятельно и никому не даёт лицензии на их выпуск. С одной стороны, плохо быть жадными, но с другой — все отлично работает!
Если кратко — то можно передавать до 1024 каналов звука по одному сетевому кабелю! Конечно, ограничений хватает, но учитывать эти ограничения должен инженер проектировщик системы.
Выглядит настройка Dante примерно так, как на рисунке. Поэтому, если видишь такую картинку на экране ноутбука инженера — то легко поймёшь, что он делает.
Коммутация производится простым проставлением зелёных галочек на пересечениях входов и выходов — что может быть проще?
Кроме протокола Dante были и другие протоколы для передачи звука по локальной сети. Многие компании пытались по-разному решить проблемы непрерывной потоковой передачи данных.
Здесь приведён неполный перечень этих протоколов просто для понимания того, о чём говорят инженеры, когда произносят непонятные слова.
CobraNet — старый протокол, одна из первых реализаций передачи звука по сети.
AES67 — новый протокол, который призван объединить ряд предыдущих.
AVB (Audio Video Bridging) — открытая технология, которая позволяет передавать не только звук, но и видео. Но этот протокол требует использования только совместимых коммутаторов локальной сети.
SMPTE 2022 — один из открытых протоколов для систем вещания.
Распайка звуковых кабелей
Большинство звуковых кабелей при инсталляциях используются готовыми. Но всего предусмотреть трудно, да часто и лень предусматривать. Обычно на объекты приходит просто катушка микрофонного кабеля и горсть разъёмов, и часто даже не тех, которые нужны.
Тут рассмотрим наиболее часто встречающиеся варианты соединения аналогового звукового сигнала и то, как их правильно спаивать (в смысле соединять).
XLR — XLR
У разъёмов XLR принято на первой ножке паять землю, на второй — «горячий» сигнал, на третьей — «холодный».
Если кабель с двух сторон имеет разъёмы XLR, то соединение очень простое — первая ножка с первой, вторая со второй, третья с третьей. Ну и хорошо бы провода по цветам не перепутать.
Когда разъёмы обозначают по-английски, то «папа» пишется как male, а «мама» как female. Не перепутай!
Кабели с разъёмами XLR могут быть только «папа» — «мама», никак по-другому. Ну и зная правило направления звука в кабелях с разъёмами XLR легко вычислить, что выход у микрофонов всегда может быть только «папа».
Феникс — Феникс
Соединение очень простое, соответствующие контакты соединяются друг с другом. В отличие от кабеля с разъёмами XLR этот кабель может работать в обе стороны.
На контакт «+» подключается «горячий» провод, чаще всего красного цвета, а на контакт «-» подключается «холодный» провод, то есть чаще всего синего цвета.
Тут показано примерное расположение сигналов «+», «-» и земли в разъёме Феникс. Каждый производитель делает это расположение по-своему. Перед изготовлением кабеля внимательно посмотри документацию или маркировку разъёма на приборе!
XLR — Тюльпан
Такой кабель имеет на одной стороне балансный сигнал, а на другой небалансный. Вообще то просто так переходить с балансного на небалансный сигнал и обратно не очень правильно, нужен хотя бы балун (сам найди кто это!). Но обычно в инсталляциях всё упрощают и вроде никто не жалуется. Правильно спаять такой кабель, где на одной стороне XLR, а на другой RCA, можно только зная направление звука.
При переходах с балансного сигнала на небалансный и наоборот очень важно помнить, когда ставится перемычка между неиспользуемым «холодным» (минусовым) сигналом и землёй.
Если балансный сигнал выходной, то перемычку ставить нельзя, иначе получается, что выход усилителя просто закорачивается и он может сгореть.
Если балансный сигнал входной, то перемычка нужна обязательно, иначе мостовая входная схема не сможет правильно принять сигнал.
Кстати, если звук идёт из балансного выхода XLR на небалансный RCA, то он получается в 2 раза тише. Попробуй самостоятельно понять, почему это происходит.
Феникс — Тюльпан
Разделка идёт по тем же правилам, что и у кабеля с разъёмом XLR. Единственно, так как сам феникс одинаков и на входе, и на выходе сигнала, надо внимательно следить за установкой перемычки.
XLR — Jack 6 mm
Данный кабель может иметь вариант как с балансным сигналом, так и с небалансным. Тут надо смотреть на разъем Jack — он моно или стерео.
При балансном сигнале используется разъём TRS и минусовой сигнал распаивается на колечко возле торцевого контакта.
При распайке небалансного варианта используется разъём типа TS и не забудь сделать перемычку у разъёма XLR «папа».
Феникс — Jack 6 mm
Разделка при балансном сигнале аналогична разделке кабеля с разъёмом XLR. Но подключать готовый кабель можно будет в любом направлении.
При изготовлении небалансного кабеля необходимо внимательно следить за наличием перемычки.
Как всегда, перемычка должна монтироваться если разъём Феникс втыкается в балансный вход звука на устройстве, и её не должно быть если Феникс стоит на выходе звука.
Mini-Jack 3.5 mm — Феникс (стерео)
Часто используемый вариант кабеля для подключения выхода аналогового звука из ноутбука или компьютера. У этих устройств звуковой выход имеет вид мини-Джека 3,5 мм. В разъёме присутствует небалансный стереосигнал — левый и правый каналы.
Ни в коем случае нельзя распаивать этот кабель по-другому, например, как балансный. Нормального звука точно не будет.
Конгресс-системы
Представь, что за столом сидит 20 человек, и каждому нужен свой микрофон. И со стола нужно протянуть 20 микрофонных кабелей. А если ещё у каждого должна иметься кнопка для включения микрофона, то нужно ещё 20 кабелей управления. А теперь забудь этот кошмар. Ведь для того, чтобы не было таких вещей и придумали конгресс-системы.
Между пультами (это и есть микрофоны с дополнительными функциями) прокладывается всего один кабель по цепочке. Но чаще всего кабель специфический, и, если готового кабеля с разъёмами нет, придётся паять.
Распайка кабелей цифровых конгресс-систем BOSCH
Для изготовления кабелей для цифровых конгресс-систем Bosch DCN, Bosch DCN NG и BOSCH CCS 1000D используется только оригинальный кабель Bosch LBB4116/00 длиной 100 метров и специальные разъёмы Bosch LBB4119/00 с 6 контактами. Разъёмы поставляются парами — «папа» плюс «мама». На кабеле обязательно должны быть разные разъёмы.
Внимательно следи за номерами контактов, они зеркальны у «папы» и «мамы».
Видно, что соединяются одинаковые контакты у обоих разъёмов. При этом оплётка зелёного провода (контакты 2) припаивается к контактам 1, а оплётка белого провода (контакты 4) к контактам 5. Есть ещё общий экран, и он с обеих сторон припаивается к корпусам разъёмов.
За все годы ни разу не попались эти разъёмы из хорошей пластмассы. Поэтому при пайке их можно легко испортить. Что бы как-то уменьшить эту проблему лучше всего паять данный разъём воткнутым в ответную часть.
Распайка кабелей аналоговых конгресс-систем BOSCH
Системы встречаются редко, так как они устарели, но помнить их надо. Для изготовления кабелей конгресс-систем Bosch CCS 900 и Bosch CCS 900 Ultro используется только оригинальный комплект Bosch LBB3316/00, включающий в себя кабель и разъёмы к нему. Разъёмы имеют 7 контактов.
Внимательно следи за номерами контактов, они зеркальны у «папы» и «мамы».
Видно, что соединяются одинаковые контакты у обоих разъёмов. При этом экран припаивается к контактам 2.
