Санкт – Петербургский государственный университет
кино и телевидения
Кафедра звукотехники
Дисциплина: «Запись аудио – и видеосигналов»
«УТВЕРЖДАЮ»
зав. кафедрой звукотехники,
профессор
______________Ершов К.Г.
КУРСОВАЯ РАБОТА
Студента 5 курса заочного факультета
_________________________________
Шифр: 7284
АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ЗАПИСИ – ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ
ФОТОГРАФИЧЕСКИХ ФОНОГРАММ
(Фонограмма переменной ширины)
2010
ВВЕДЕНИЕ
Темой работы является анализ и процесса записи и воспроизведения фотографических фонограмм.
Целью проведенных расчетов и анализа является определение влияния процесса воспроизведения на качественные характеристики фотофонограммы. Во второй части работы проведен анализ, расчет и разработка структурной и электрической схем усилителя воспроизведения.
Исходные данные для расчетов (шифр 7284):
Часть №1
| Звуковоспроизводящее устройство
Кинопроектор |
35 мм |
| Тип светооптической системы |
Механическая щель перед фонограммой |
| Источник излучения |
Светодиод |
| Фотоэлектрический преобразователь |
ФЭУ |
| Воспроизводящий штрих
Ширина штриха (В) Длина воспроизводящего штриха |
15 мкм 2.15 мм |
| Угол наклона штриха Расфокусировка штриха |
65 минут 15 % |
| Закон нарушения юстировки аппарата |
Наклон, α=10
|
| Частоты для расчёта нелинейных искажений |
1000 Гц и 6000 Гц |
| Фонограмма
|
|
| Киноплёнка |
Чёрно – белая, 35 мм |
| Количество дорожек |
2 |
| Модуляция |
90 % |
| Плотность тёмного участка фонограммы |
1.5 Б |
| Плотность светлого участка фонограммы |
0.15 Б |
| Ширина фонограммы (длина запис. штриха) (а) |
1.9 мм |
Часть №2
| Кфф
|
0.69 |
| Кчл
|
0.39 |
| К |
6.55 мА/лм |
АНАЛИЗ СКВОЗНОГО ТРАКТА ЗАПИСИ-ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ
Ниже приведена структурная схема сквозного тракта записи-воспроизведения фотофонограмм:
|
|
|
Uвх
с магн.
фонограммы
|
|
|
|
Качество звука, обеспечиваемое аналоговой фонограммой переменной ширины, иначе, чем удовлетворительным, назвать нельзя. Обеспечивается воспроизведение диапазона звуковых частот от 40 до 8000 Гц, отношение сигнал/шум около 40 дБ, высокий уровень нелинейных искажений. Основной причиной шума фотофонограммы является шум кинопленки. Для уменьшения шума можно использовать пленки большой оптической плотности.
Причинами ограничения частотного диапазона являются: инерционность модуляров света электромеханического типа, заплывание фонограммы, рассеяние света в звукоблоке копировального аппарата. Ограничение верхнего предела ЧХ возникает из-за конечной ширины читающего штриха, неправильного расположения воспроизводящего штриха. Так же присутствуют волновые потери. Для получения хорошей частотной характеристики в настоящее время используют лазерные звукозаписывающие устройства на кристаллах, мелкозернистые кинопленки и т.д.
Следующей негативной ситуацией являются нелинейные искажения в тракте звукопередачи. Они возникают из-за нелинейности самой характеристики передачи тракта и приводят к появлению новых частотных составляющих – гармоник более высшего порядка. Искажения имеют частотно-зависимый характер, т.е. резко возрастают с ростом частоты. Уменьшить нелинейные искажения в значительной степени позволяет использование компенсационного режима записи.
РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАДАННОГО УСТРОЙСТВА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ФОТОГРАФИЧЕСКИХ ФОНОГРАММ
В данном разделе производится расчет следующих характеристик:
1. Динамический диапазон фотофонограммы DD
2. Амплитудно-частотная характеристика тракта воспроизведения
3. Нелинейные искажения при воспроизведении фонограммы. В этом пункте рассмотрены:
3.1. Закон изменения записываемого сигнала
3.2. Ток фотоэлемента при неравномерной освещенности по длине штриха
3.3. Расчет амплитуд гармоник сигнала
3.4. Расчет коэффициента гармоник
1. Динамический диапазон фотофонограммы DD
Динамический диапазон фонограммы (DD) – это выраженное в дБ отношение максимально допустимого (с точки зрения нелинейных искажений) уровня сигнала, передаваемого фонограммой, к его минимальному уровню, обычно измеряемых на выходе тракта.
DD
= 20
lg
(дБ)
Минимальный уровень сигнала в 2-3 раза (на 6-9 дБ) превышает уровень шума, т.е. динамический диапазон отличается от отношения сигнал/шум (ОСШ) на 6 – 9 дБ
ОСШ = 20
lg
(дБ)
DD
= ОСШ – (6 - 9) дБ
ОСШ = 20
lg
(дБ)
Максимальная амплитуда косинусоидального сигнала ограничена шириной дорожки. Ширина дорожки определяется длиной записывающего штриха:
а = 1.9 мм
Коэффициент пропускания τ может быть определён по формуле:
τ = 10-д
Уровень шума измеряется при отсутствии сигнала на фонограмме в «паузе».
Основной причиной шума фотографической фонограммы является шум киноплёнки.
ОСШ для необесшумленой
фонограммы можно вычислить по формуле:
ОСШ = (дБ)
где:
m - модуляция фонограммы, 0.9
а = 1.9 мм
- коэффициент пропускания светлой части фонограммы, равен
10-0.15
= 0.7079
- коэффициент пропускания тёмной части фонограммы, равен
10-1.5
= 0,0316
асв
- ширина светлых участков, для необесшумленной фонограммы:
асв
= aтемн
= а/2 = 1.9 / 2 = 0.95 мм
Для обесшумленной
Среднеквадратичные отклонения пропускания для прозрачной и тёмной частей фонограммы:
, где
Площадь светлого участка штриха в паузе
Тогда
Аналогично, для темной части фонограммы:
При необесшумленой фонограмме ширина светлых участков равна ширине тёмных участков, поэтому:
Суммарная флуктуация коэффициентов пропускания фонограммы:
Отношение сигнал/шум для обесшумленной
фонограммы можно вычислить по формуле:
Для необесшумленной фонограммы:
Динамический диапазон фонограммы:
Для обесшумленной:
Для необесшумленной:
Степень обесшумливания
N
составит:
2. Амплитудно-частотная характеристика тракта воспроизведения.
Амплитудно- частотная характеристика это зависимость амплитуды синусоидального сигнала от его частоты на выходе системы (или её отдельного звена) при условии, что амплитуда сигнала на входе этой системы (или звена) неизменна во всём частотном диапазоне.
При воспроизведении фонограммы АЧХ её может быть ухудшена. Ограничение верхнего предела частотной характеристики возникает из – за конечной ширины читающего штриха, нарушения его фокусировки на эмульсионный слой киноплёнки и из-за неправильного расположения воспроизводящего штриха – наклона относительно записывающего штриха.
Для традиционно записанной фонограммы на 35 – мм киноплёнке, частотный диапазон которой не превышает 10 кГц, ширина штриха стандартизирована – 0,016 0,002 мм.
| Волновые потери сигнала, обусловленные конечной шириной штриха, на любой частоте выражаются закономерностью: |
|
где в = 15мкм λ = V/f, V = 456 мм/с |
| Волновые потери сигнала, обусловленные расфокусировкой штриха |
|
в1
в1
|
| Волновые потери сигнала, обусловленные наклоном воспроизводящего штриха по отношению к записывающему |
|
l – длина воспроизводящего штриха = 2,15 мм δ – угол относительного наклона воспроизводящего и записывающего шт
рихов = 65 минут = 1.0830
|
| Относительные волновые потери |
|
|
| Суммарные волновые потери при воспроизведении фонограммы |
|
3. Нелинейные искажения при воспроизведении сигнала с фотографической фонограммы.
Нелинейные искажения в тракте звукопередачи возникают из-за нелинейности самой характеристики передачи тракта и приводят к появлению новых частотных составляющих - гармоник более высшего порядка, чем сам сигнал, а при передачи сложного сигнала, состоящего из двух и более частот, к появлению суммарных, разностных и более сложных комбинационных частот.
Нелинейность аппарата записи несущественна по сравнению с нелинейностью самого фотографического процесса получения изображения фонограммы на киноплёнке как на негативной, так и на позитивной, и тех нелинейных искажений, которые возникают в процессе воспроизведения в звукоблоке кинопроектора.
При воспроизведении нелинейные искажения фонограммы в значительной степени зависят от юстировки звукоблока. К образованию нелинейных искажений приводят: относительный наклон воспроизводящего штриха, смещение штриха по ширине фонограммы (воспроизводящий штрих не полностью перекрывает фонограмму), а также неравномерная освещённость штриха по длине. Неравномерная освещённость штриха всегда в какой – то степени имеет место при использовании ламп накаливания (из-за спирали) в системе звуковоспроизведения. Величина нелинейности зависит от характера распределения освещённости по длине штриха Е(y): по косинусоиде, по выпуклой параболе, по трапеции и т.д.
Для данной курсовой работы характер распределения определяется наклоном штриха.
Форма распределения:
3.1. Закон изменения записываемого сигнала
, принимаем
, с другой стороны, за время t точка отсчёта на носителе проходит путь:
,
и тогда путём преобразований получаем:
Следовательно, закон изменения записанного на плёнке сигнала можно записать в пространственных координатах как:
.
Для двухдорожечной фонограммы (ширина одной дорожки записи равна а):
y1
=
y2
=
y3
=
y4
=
Для частот 1000 и 6000 Гц
| Для частоты f1
|
Для частоты f2
|
|
| Длина волны, λ |
456*10-6
|
76*10-6
|
| Путь, X (при t = 1с ) |
456 мм |
456 мм |
| Ширина одной дорожки записи а : |
1.9 мм |
1.9 мм |
| y1
|
-0.951 мм |
-1.88 мм |
| y2
|
-0.949 мм |
-0.016 мм |
| y3
|
0.949 мм |
0.016 мм |
| y4
|
0.951 мм |
1.88 мм |
3.2 Ток фотоэлемента при неравномерной освещённости по длине штриха:
В данном случае у нас нет зависимости от переменной освещенности. Поэтому в общем случае, выражение для тока:
Подставим имеющиеся значения для расчета тока.
| Для частоты 1000 Гц |
Для частоты 6000 Гц |
|
| Е (y) |
1.815*10-6
|
3.735*10-3
|
3.3. Расчет амплитуд гармоник сигнала
Еs = 1
а = ½ ширины фонограммы = 0,95 мм
в (ширина штриха) = 15 мкм
τсв
(коэффициент пропускания светлого участка фонограмм) = 0.7079
Е0
(постоянная составляющая освещённости) = 1
Е1
(переменная составляющая освещённости) = 0.8; 0.5; 0.2
f1
=1000 Гц, f2
= 6000 Гц,
Рассматриваемая ситуация: Нелинейные искажения при наклоне воспроизводящего штриха относительно записывающего (i=2):
| Для частоты f1
|
Для частоты f2
|
|
| A1 |
|
|
| A2 |
|
|
| A3 |
|
|
3.4. Расчет коэффициента гармоник
Степень нелинейных искажений для гармонического сигнала оценивается коэффициентом гармоник:
| Кг
|
F, Гц |
|
| Кг 1
|
F1
|
0.34 |
| Кг 2
|
F2
|
2.47 |
В нашем случае, зависимости от неравномерной освещенности нет. Поэтому значения коэффициентов будут представлены прямыми.
РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ФОТОФОНОГРАММ
Для воспроизведения записанного звукового сигнала с движущегося носителя записи дорожка записи просвечивается узким воспроизводящим световым штрихом. Длина этого штриха 2,13±0,05 мм, ширина штриха – 0,016±0,002 мм. В пределах штриха воспроизведения должен быть сосредоточен световой поток не менее 0,01 лм.
Проходя через фотографическую фонограмму, световой поток ослабляется меньше или больше, в зависимости от среднего пропускания участка дорожки записи, просвечиваемого штрихом воспроизведения. Таким образом, изменения оптического пропускания фонограммы по закону записанного сигнала в светооптической системе устройства воспроизведения преобразуются в изменения светового потока.
Обобщённая схема кинотеатрального усилителя:
Модулированный фонограммой световой поток попадает на фотоэлектрический преобразователь, электронный прибор, преобразующий лучистый поток в электрический ток. Как и световой поток, электрический ток изменяется по закону записанного сигнала. Его подают на вход кинотеатрального усилителя, который доводит мощность воспроизведённого сигнала до уровня, достаточного для прослушивания через громкоговорители, установленные в зрительном зале кинотеатра.
РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ УСИЛИТЕЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ
2.1 Схемы каскада усиления тока
Разработку схемы усилителя тока начинают с рассмотрения свойств источника сигнала, соединённого с его входом. В системах воспроизведения фотофонограмм в качестве фотоэлектрического преобразователя используют полупроводниковые фотодиоды, обычно – кремниевые.
Для усилителя воспроизведения фонограмм выбрана схему усилителя тока с обратно смещённым фотодиодом, не усиливающая постоянную составляющую тока.
|
2.2. Расчёт принципиальной электрической схемы усилителя тока.
Для расчёта коэффициента передачи усилителя тока используется формула:
, где UвыхУВном
= 1.55 В – номинальное выходное напряжение усилителя воспроизведения, а КU
кк
- коэффициент усиления напряжения корректирующего каскада. В качестве корректирующего каскада используется активный фильтр нижних частот. Принимаем КU
кк
= 2. Тогда Uвых
= 0.75 В.
Действующее значение переменной составляющей тока фотодиода определяется по формуле:
Для кинопроекторов формата 35 мм стандартом предписано Fmax
≥ 10 млм. Типовое значение интегральной чувствительности фотодиодов составляет 3 мА/лм. Тогда в идеальных условиях воспроизведения получаем Iфд
= 0.019 мА.
У реальных фонограмм плотность тёмных частей не бесконечна, а светлых - не равна нулю. Плотность зависит от длины волны света, постепенно уменьшаясь при её увеличении. Учитывая это следует уменьшить рассчитанное значение примерно на 50%, введя коэффициент запаса на неидеальность фонограммы Кфф
. Также следует учесть запас на уменьшение освещённости читающего штриха из-за неточности юстировки и износа лампы Кчл
.
Разброс от экземпляра к экземпляру чувствительности фотодиодов, обусловленный влиянием факторов нестабильности технологии полупроводниковых электронных приборов, фотодиодов. Кфд
= 0.33..3.
Минимальное и максимальное значение переменной составляющей тока фотодиода можно определить по формулам:
Знак минус обозначает, что вытекающий ток фотодиода создает на выходе положительное напряжение.
В процессе эксплуатации усилителя необходимо иметь возможность регулировать сопротивление передачи, чтобы поддерживать номинальное выходное напряжение. С этой целью цепь обратной связи выполняют из двух резисторов: постоянного R =ос
и переменного Rvaro
с
.
Назначение вспомогательных элементов схемы:
Rсм
(резистор подачи запирающего смещения), Ср
(разделительный конденсатор который исключает попадание постоянного тока цепи смещения на вход ОУ).
Rсм
≤, где Еп
– напряжение питания усилителя, зависящее от типа ОУ, чаще всего оно составляет 15 В, Fмакс
- максимальный световой поток, создаваемый светооптической системой воспроизведения 10 млм, kмакс
– максимальная чувствительность фотодиода, втрое превышающее номинальное значение, т.е.
Ёмкость разделительного конденсатора необходимо выбрать таким образом, чтобы не возникало слишком большого спада усиления в нижней части рабочего диапазона частот. Природа этого спада становится понятной изэквивалентной схемы входной цепи усилителя тока для переменных составляющих.
Здесь ОУ представлен только своим входным сопротивлением.
Для отсутствия заметного спада в области нижних частот требуется чтобы реактивное сопротивление конденсатора было на порядок ниже сопротивления цепи смещения:
Тогда емкость конденсатора определяется:
(fн
выбрана исходя из условия)
Согласно имеющимся значениям, подберем номиналы:
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бургов В.А. Теория фонограмм.-М.: Искусство, 1984.
2. Карипиди С.Д., Нельский Е.Л., Дарий У.И. Стандарты и качество кинопоказа.-М.: Искусство, 1980.
3. Гендин Г. Все о резисторах: Справочник. Гор. Лин.-Тел.