Устройство, способ и сетчатая батарея для защиты заданного объема от внешних шумов

 

Для защиты объема, располагающегося внутри помещения, от внешних шумов Е, прибегают к использованию батареи акустических датчиков, принимающих внешний шум Е и располагающихся на расстоянии А от акустически защищаемого объема, и батареи источников акустических колебаний, располагающихся на расстоянии В, меньшем, чем расстояние А, от того же акустически защищаемого объема, и подают на эти источники акустических колебаний сигналы S, которые представляют собой суммы двойных произведений сверток функции Е_j (t) на две функции f_ij (t) и g_ik (-t) которые непосредственно выводятся из импульсных ответных сигналов, принимаемых акустическими датчиками в ответ на акустические импульсы, излученные источниками, расположенными в составе фиктивной батареи, ограничивающей упомянутый выше акустически защищаемый объем, и акустическими датчиками, помещенными в те же точки пространства, что и упомянутые источники, в ответ на акустические импульсы, излученные упомянутыми выше источниками. 3 с. и 5 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к акустике, более точно касается способа защиты от внешних акустических шумов заданного пространственного объема и устройства для его осуществления.

В целом ряде случаев возникают ситуации, когда оказывается нежелательным защитить некоторый объем пространства от акустических шумов, возникающих за пределами этого объема пространства. В частности, это могут быть участки пространства, где располагается голова человека, когда он пребывает в сидячем положении или лежит. В тех случаях, когда такая акустическая защита некоторого пространства обеспечена или иными средствами, человек оказывается огражденным от внешних акустических воздействий, если его голова располагается внутри этого пространства.

Для обеспечения такой акустической защиты некоторого ограниченного пространства ранее уже был предложен способ, состоящий в размещении между защищаемым объемом и внешним по отношению к нему пространством, в котором распространяются акустические шумы, специальных звукоизолирующих перегородок.

Однако звукоизоляция, обеспечиваемая такими перегородками, оказывается ограниченной по своим возможностям, и физические препятствия при практической реализации упомянутых выше перегородок часто оказываются неустраненными и непреодолимыми.

Был также предложен способ акустической защиты, состоящий в нейтрализации определенных звуковых колебаний, путем акустической защиты пространства, при помощи подачи в упомянутое выше пространство так называемого "контр-шума", идентичного по амплитуде и противоположного по фазе упомянутым выше шумовым акустическим излучениям.

Однако до настоящего времени этот тип акустической нейтрализации, называемой иногда "активной аттенюацией", приводил к обнадеживающим результатам только в тех случаях, когда подлежащие акустической нейтрализации объемы располагаются вне замкнутых помещений /смотри документ GB 2191063 A/. Когда же подлежащие нейтрализации зоны находятся внутри замкнутых помещений, ограниченных по бокам поперечными перегородками, потолком сверху и полом снизу, практически не удается до настоящего времени эффективно овладеть явлениями акустического отражения или реверберации нейтрализуемых звуковых шумов при их взаимодействии с различными достаточно плотными поверхностями, ограничивающими со всех сторон упомянутое выше помещение, а также с другими имеющимися в данном помещении препятствиями для прямого распространения акустических колебаний, такими, например, как мебель в данном положении.

Цель предлагаемого изобретения главным образом состоит в том, чтобы устранить совокупность отмеченных недостатков и обеспечить возможность акустической защиты некоторого объема пространства, находящегося внутри замкнутого помещения, от звуковых шумов любой природы, возникающих за пределами этого помещения, и, в частности, исходящих из некоторого привилегированного положения по направлению распространения, соответствующего, например, расположению окна в данном помещении.

Для достижения этой цели устройства акустической защиты пространства ограниченного объема в соответствии с предлагаемым изобретением отличаются главным образом тем, что они содержат, с одной стороны, расположенные соответственно на двух различных расстояниях A и B от одной фиктивной сетчатой батареи, определяющей некоторые точки, располагающиеся внутри подлежащего защите объема, батарею акустических датчиков /микрофонов/, воспринимающих требующие нейтрализации шумы E и батарею источников акустического излучения /громкоговорителей/, причем упомянутое выше расстояние B в соответствии с предлагаемым изобретением имеет меньшее значение, чем расстояние A, и, с другой стороны, электронную схему, соединяющую между собой упомянутые выше акустические датчики и упомянутые выше источники акустического излучения и устраненную таким образом, чтобы за промежуток времени, меньший, чем время (A-B)/V, где V представляет собой скорость распространения звуковых колебаний в воздушной среде, вырабатывать для каждого сигнала внешних шумов E_j(t) множество сигналов S_k(t), которые мгновенно воспроизводятся упомянутыми выше источниками акустического излучения соответственно, причем каждый из сигналов S_k(t) имеет вид: В этой формуле каждая функция S_ji(t), идентичная обратной функции S_ij(t), которая представляет собой импульсный ответный сигнал, предварительно определенный, зарегистрированный и соответствующий шумовому сигналу, воспринятому и переданному акустическим датчиком с номером j из упомянутой выше батареи датчиков в результате излучения короткого импульсного акустического сигнала от источника акустического излучения, который предполагается расположенным в точке i; и каждая функция g_ik(-t) вырабатывается на основе функции g_ik(t), которая сама идентична своей обратной функции g_ki(t), представляющей собой в свою очередь импульсный ответный сигнал, предварительно определенный, зарегистрированный и соответствующий шумовому акустическому сигналу, воспринятому датчиком, который предполагается расположенным в точке i, на излучение которого акустического сигнала источником акустического излучения с индексом k из упомянутой выше батареи таких источников акустического излучения.

В предпочтительных вариантах практической реализации способов акустической защиты подобного рода прибегают, кроме того, к тем или иным из следующих мероприятий и характеристик по отдельности или в различных сочетаниях: - выявление составляющих внешнего шума E_j(t), необходимых для выработки подавляющих сигналов S, осуществляется путем квантования в темпе, строго соответствующем одной восьмой части самого короткого периода, характеризующего обрабатываемые в данном случае звуковые волны, то есть квантование с частотой, наиболее высокой в диапазоне заданной чувствительности акустических датчиков и увеличенной в восемь раз; - область частот, в которой используемые акустические датчики обладают заданной чувствительностью, принимается равной от 10 Гц до 10000 Гц; - число акустических элементов, составляющих каждую из упомянутых выше батарей, достигает многих десятков, причем преимущественно используется от 50 до 100 таких акустических элементов; - расстояние, которое разделяет соседние элементы одной батареи между собой, для каждой батареи составляет величину порядка 10 см; - разница между упомянутыми выше расстояниями A и B имеет величину порядка 1 м; - каждый сигнал S_k(t) имеет вид:

В этой формуле величина h_jk(t) представляет собой предварительно определенную и зарегистрированную функцию, которая может быть представлена выражением:

Данное изобретение имеет также целью предложить батареи акустических элементов, специально разработанные для оборудования упомянутых выше устройств, а также способы для определения импульсного ответного сигнала f_ij(t) и импульсного ответного сигнала g_ki(t), которые используются для выработки сигналов подавления нежелательного шума, обозначаемых символом S.

Эти способы в соответствии с предлагаемым изобретением отличаются главным образом тем, что в непосредственной близости от акустического защищаемого объема пространства располагается, причем так, чтобы определять собой по меньшей мере часть этого объема, сетчатая батарея, определяющая положение в пространстве множества точек i, в которые помещают:
- в первый момент времени источники акустического излучения, причем ответные сигналы f_ij(t) в этом случае определяются на уровне постоянных датчиков, о которых было сказано выше, в процессе излучения коротких акустических импульсов упомянутых выше источниками акустического излучения;
- в следующий момент времени акустические датчики, причем в этом случае ответные сигналы g_ki(t) определяются этими акустическими датчиками в процессе излучения коротких акустических импульсов упомянутыми выше постоянными источниками акустического излучения.

По меньшей мере в одной из двух совокупностей источников акустического излучения и акустических датчиков, используемых соответственно в течение двух последовательных промежутков времени по определенным выше способам, можно будет применять роли и местоположение соответственно источников и датчиков.

В том случае, когда предусмотрено использование упомянутой выше функции h_ji(t), проводится, кроме того, предварительный этап выработки и регистрации этой функции h_ji(t).

Предлагаемое изобретение, кроме этих основных характеристик, содержит некоторые другие решения, предпочтительно использующиеся в то же самое время. Эти решения будут более подробно описаны в приведенном ниже описании.

Далее в описании будет подробно описан предпочтительный вариант практической реализации предлагаемого изобретения, поясняемого чертежами, где на фиг. 1 схематически изображенот помещение, оборудованное устройством защиты некоторого ограниченного объема этого помещения от внешних акустических шумов, на фиг. 2 - блок-схема электронного устройства, входящего в состав упомянутого выше устройства акустической защиты в соответствии с предлагаемым изобретением.

В приведенном на фиг.1 схематическом примере предлагается защитить от внешних акустических шумов E, условно показанных стрелкой 1, некоторое условно ограниченное пространство 2, располагающееся в помещении 3, которое в поперечных направлениях ограничено с четырех сторон стенками 4, сверху ограничено потолком и снизу ограничено полом.

Под акустическими шумами E в данном случае понимаются, например, звуковые колебания, проникающие в данное помещение снаружи через, например, открытое или закрытое окно 5.

Защищаемый от акустических шумов объем 2 может иметь, например, форму сферы или цилиндра диаметром порядка одного метра. Центральная часть этого объема той или иной формы предназначена для того, чтобы в ней располагалась голова человека, которого желательно изолировать от мешающего воздействия внешних шумов E. При этом защищаемый от шума человек может, например, сидеть за письменным столом или лежать в постели таким образом, чтобы его голова находилась в упомянутом выше объеме.

Для решения поставленной таким образом задачи применяют известный сам по себе метод активной аттенюации или подавления акустических колебаний, который в данном случае защиты некоторой точки пространства от мешающих шумов состоит в создании в этой точке так называемых контр-шумов, противоположных по фазе упомянутым выше мешающим шумам и определяемых таким образом, чтобы их сложение с этими мешающими шумами в упомянутой выше точке пространства давало в ней нулевую результирующую акустических колебаний, то есть устраняло упомянутые выше мешающие шумы.

Известные технические решения, которые были предложены в этой области до настоящего времени, давали удовлетворительные результаты только при выполнении следующих двух условий:
- образование подлежащего ослаблению или подавлению шума чистыми синусоидальными звуковыми колебаниями, подобными тем, которые издают музыкальные инструменты и некоторые двигатели при работе в определенных режимах;
- исключительно прямолинейное распространение упомянутых выше звуковых колебаний от их источника до защищаемой точки пространства без отражений и реверберации этих колебаний на звукоотражающих препятствиях типа стен помещения, в котором располагается замещенная точка пространства.

Данное изобретение предлагает решить задачу существенной аттенюации или частичного подавления, и даже полного устранения, нежелательных акустических шумов в упомянутом выше объеме пространства и сделать это при том, что упомянутые шумы являются случайными и подвергаются отражениям или реверберации при взаимодействии со стенами 4 помещения 3.

Для решения этой задачи предлагается действовать следующим образом.

Между защищаемым от вредных акустических колебаний объемом 2 и источником этих шумовых колебаний E, от которых желательно защитить упомянутый выше объем, помещаются две батареи /или два барьера/ 6 и 8, состоящие из разных акустических элементов, удерживаемых на некотором расстоянии друг от друга при помощи жесткого каркаса /соответственно 7 и 9/, выполненного достаточно ажурным и не создающим существенных препятствий для распространения акустических колебаний.

Две эти батареи 6 и 8 отстоят друг от друга на некотором усредненном расстоянии A.

Первая из упомянутых выше двух батарей, а именно батарея 6, определяет обычно трехмерную пространственную сетчатую систему точек или узлов i-1, i, i+1, ..., занимающую, по меньшей мере частично, акустически защищаемый объем пространства.

Акустические элементы, которые содержит эта батарея, представляет собой в первый момент времени источники акустического излучения /громкоговорители или звукопроизводящие устройства другого типа/ с обозначениями 10_i-1, 10_i, 10_i+1,..., локализованные в упомянутых выше узлах.

Что касается акустических элементов, составляющих вторую из упомянутых выше батарей, батарею 8, то они представляют собой акустические датчики /микрофоны/ с обозначениями 11_j-1, 11_j, 11_j+1,..., которые локализованы в различных точках или узлах этой батареи, обозначенных j-1, j, j+1, ... .

Затем определяется каждый из законов формирования ответного импульсного сигнала f_ij(t) в функции времени t, соответствующего каждой составляющей шума, приходящего на каждый датчик 11_j, в результате излучения короткого акустического импульса от каждого источника 10_i акустического излучения.

Напомним здесь известную теорему соответствия, согласно которой импульсный ответный сигнал типа определенного выше сигнала f_ji(t) точно равен или идентичен инверсному импульсному ответному сигналу f_ji(t), который будет получен акустическими датчиками в предложении их размещения точно в тех же самых точках i пространства, в которых располагались источники акустического излучения 10_i, в ответ на излучение короткого акустического импульса соответствующими источниками в предположении их размещения в различных точках j вместо упомянутых выше акустических датчиков 11_j.

Это соответствие учитывает, в частности, все отражения или реверберацию акустических волн в результате из взаимодействия со стенами помещения 3 и другими встречающимися в этом помещении препятствиями для распространения звуковых волн, например с мебелью. Эти возможные отражения звуковых волн схематически показаны на фиг.1 линиями и стрелками R.

Применяя упомянутую выше теорему, производится расчет результирующего шума, который будет достигать каждой точки батареи 6 для каждой составляющей данного общего шума E_j(t) воспринимаемой в каждой точке j.

Этот результирующий шум представляет собой произведение сверток E_j(t)⊕f_ji(t).
Теперь можно определить полный шум F_i(t), который будет достигать каждой точки i в ответ на внешний шум E_j(t), получаемый всей совокупностью точек j, то есть именно тот шум, который схематически обозначен на фиг.1 стрелкой 1.

Этот полный шум F_i(t) может быть представлен выражением:

Теперь заменим каждый из источников шумового сигнала 10_i батареи 6 на акустические датчики 12_i, располагающиеся точно в тех же точках пространства i, что и упомянутые выше источники акустических колебаний.

Разместим точно на расстоянии B от средней зоны батареи 6/ причем это расстояние B, как уже было сказано выше, меньше расстояния A/ еще одну, третью батарею 14 того же типа, что и две уже поминавшиеся выше батареи 6 и 8. Эта батарея 13 образована жестким каркасом 14, удерживающим на определенных расстояниях друг от друга множество источников акустического излучения 15_k-1, 15_k, 15_k+1, локализованных в различных точках или узлах k-1, к k+1, ... упомянутого выше каркаса.

Затем определяется каждый импульсный ответный сигнал g_ki(t) соответствующий шуму, который воспринимается акустическим датчиком 12_i от излучения короткого импульсного акустического сигнала источником акустического излучения 15_k.

В силу теоремы соответствия, о которой было сказано выше, каждая функция g_ki(t) строго идентичная своей обратной функции g_ik(t).

Следовательно, можно сказать, что полный шум G_k(t), который будет создаваться в каждой точке k батареи 13 в ответ на шум F_i(t), предполагаемый излучением из точек i, в которых будут расположены источники акустического излучения, может быть выражен соотношением:

Эта форма весьма ценна, поскольку она позволяет предельно точным образом определить шумы, которые будут на уровне элементов батареи 13 результатом шумовых сигналов F_i(t), производимых в точках i первой батареи 6.

В то же время, эти шумы F_i(t) являются точно теми же шумами, которые порождаются в упомянутых выше точках i в результате воздействия на помещение 3 нежелательных внешних шумов (E_j(t) подлежащих нейтрализации.

Для выработки необходимых контур-шумов, предназначенных для нейтрализации вредных внешних шумов E_j(t) любого типа на уровне этих точек i части внутреннего пространства помещения 3, то есть для ликвидации или по меньшей мере сильного ослабления шумов F_i(t), создаваемых в точках i этими нежелательными внешними шумами E_j(t) достаточно:
-заменить в качестве переменной в законе изменения ответного сигнала g_ik(t), который входит в приведенную выше формулу /II/, параметр (t) на параметр (-t);
- и приложить противоположность S_k(t) каждого результирующего сигнала к соответствующим источникам акустического излучения 15_k.

Действительно, оказывается, что если излучать в каждой из точек k контур-сигналы g_ik(t), соответствующая акустическая волна, излученная в направлении точки i, распространяется строго противоположным образом по отношению к распространению акустической волны, соответствующей излучению короткого акустического сигнала из упомянутой выше точки i в направлении упомянутой выше точки k, и эта акустическая волна, таким образом, фокусируется в точке i, что воспроизводит в ней упомянутый выше короткий акустический импульс, несмотря на различные деформации фронтов звуковых волн, которые могут произойти в обоих направлениях в результате различных акустических отражений при взаимодействии волны со стенками и другими препятствиями, встречающимися на пути этой волны в данном помещении.

Точнее говоря, фронт обратной волны, соответствующей этим контр-сигналам, последовательно занимает различные положения, которые раньше занимал фронт исходной "прямой" волны, причем наблюдаемое явление сравнимо с демонстрацией кинофильма в обратную сторону.

Тогда сигналы S_k(t), о которых здесь идет речь, могут рассматриваться как определяемые приведенные ниже выражением:

Приложение этих сигналов S_k(t) к источникам акустического излучения 15_k позволяет сформировать в точках i контр-шумы C или C_i(t), которые способны ликвидировать шумы F_i(t), производимые в этих точках нежелательными внешними шумами E_j(t).

При этом упомянутый выше защищаемый объем 2 помещения 3 остается объятым тишиной и недоступным для нежелательных внешних шумов E_j(t) местом. Причем такое состояние этого объема обеспечивается при любой природе и любой интенсивности этих нежелательных шумов, а также при любых возможных условиях отражения или реверберации звуков, которым они могут подвергаться перед достижением ими упомянутого выше акустически защищаемого объема.

Разумеется, после определения законов изменения импульсного ответного сигнала g_ki(t) можно полностью исключить батарею 6 из состава устройства акустической защиты, что позволяет полностью освободить подходы к акустически изолированному объему 2.

Именно в этом состоит одно из важных преимуществ предлагаемого изобретения.

Для того, чтобы обеспечить желаемую нейтрализацию каждого шума F_i(t), необходимо, чтобы контр-шумы C достигали местоположения точек i в тот же момент времени, что и сами эти шумы.

Именно этим обстоятельство обусловлено отмеченное выше различие между двумя расстояниями A и B, разделяющими соответственно батарею 6 и батареи 8 и 13.

При практической реализации предлагаемого изобретения необходимо позаботиться о том, чтобы это различие в упомянутых выше расстояниях было достаточным для того, чтобы электронное устройство успело выработать соответствующие сигналы за тот промежуток времени, который необходим для прохождения звуковыми волнами пути, равного этой разнице A-B.

Расчеты и практика показывают, что если длина этого пути, то есть разница между расстояниями A и B, имеет величину порядка одного метра, то времени прохождения этого расстояния звуковой волной /а это время составляет примерно 3 мс/ вполне достаточно для выполнения всех необходимых операций по выработке соответствующих сигналов в электронном устройстве.

В этом состоит одна из оригинальных констатанций, которую позволяет сделать концепция предлагаемого изобретения.

Электронное устройство, о котором шла речь выше, схематически представлено прямоугольником 16 на фиг. 1.

Более детальная блок-схема этого электронного устройства показана на фиг. 2, где можно видеть блок запоминания и вычисления 17, связанный с одной стороны, с каждым из акустических датчиков 11_j через схему, содержащую усилитель 18_j , и аналого-цифровой преобразователь 19_j, а с другой стороны, с каждым из источников акустического излучения 15_k через схему, содержащую цифроаналоговый преобразователь 20_k и усилитель 21_k.

На практике внешние шумы E_j(t), регистрируемые акустическими датчиками 11_j, не используются непрерывным образом для соответствующей обработки электронным устройством.

Применяется метод квантования непрерывного сигнала с темпом который строго соответствует одной восьмой доле наиболее короткого периода колебаний из тех, которые характерны для обрабатываемых звуковых волн, то есть периода, соответствующего наиболее высокой частоте для принятого диапазона требуемого уровня чувствительности используемых в данном случае акустических датчиков.

Диапазон частот, в котором используемые акустические датчики обладают заданной чувствительностью, распространяется обычно от 10 Гц до 10000 Гц.

В этих условиях, поскольку наиболее высокой является частота 10 кГц, которой соответствует период колебаний, равный 100 мкс, частота квантования непрерывного шумового сигнала составляет обычно 80 кГц, что соответствует осуществлению выработки каждые 12 мкс.

Что касается расстояния, отделяющего соседние акустические элементы одной и той же батареи друг от друга, то в предпочтительном варианте практической реализации предлагаемого изобретения оно принимается равным половине длины волны звукового колебания наименьшей частоты из рассматриваемого диапазона частот дообрабатаываемых в данном случае звуковых колебаний.

Таким образом, расстояние, о котором идет речь, может иметь величину порядка 10 см, что обеспечивает особенно хорошую акустическую защиту от низкочастотных составляющих нейтрализуемого внешнего шума. Действительно, длина волны звукового колебания на частоте 1000 Гц составляет примерно 33 см.

Что касается числа акустических элементов, образующих каждую из упомянутых выше батарей, то оно может достигать нескольких десятков. В частности, практически приемлемыми являются батареи, содержащие от 50 до 100 акустических элементов.

Принимая во внимание эти различные приведенные выше числа, произведения сверток, входящие в приведенную выше формулу III, оказываются достаточно объемными, что может привести к необходимости использования достаточно мощных вычислительных средств.

Для решения этой задачи можно использовать для каждого из датчиков 11_j свой собственный процессор цифрового сигнала типа DSP /первые буквы английского термина/.

В соответствии с предпочтительным усовершенствованием способов акустической защиты данного объема пространства, которое будет описано ниже, можно существенно упростить необходимую работу, выполняемую упомянутым выше электронным устройством.

Упомянутое выше усовершенствование основывается на следующих основных соображениях.

Приведенная выше формула III может быть записана также в несколько другой форме, а именно:

Если обозначить через h_jk (t) второй член этой свертки, то есть принять, что

то формула IV принимает вид:

Эта формула относительно проста, поскольку она больше не включает никаких точек i.

Разумеется, эти точки i используются при вычислении функции h.

Однако вычисление этой функции может быть осуществлено предварительно в процессе подготовительного этапа с последующим запоминанием вычисленной функции h, что придает такому методу дополнительную гибкость по сравнению с известными техническими решениями подобной задачи.

На практике в соответствии с предлагаемым изобретением действуют следующим образом:
- начинают с измерения каждого импульсного ответного сигнала f_ij(t) за период времени T с учетом времени t=0, соответствующего излучению начального короткого акустического импульса от точки i, причем упомянутый выше период времени T длится достаточно долго для того, чтобы содержать в себе весь рассматриваемый импульсный ответный сигнал, соответствующий как прямой траектории, так и паразитным отражениям;
- таким же образом измеряют, кроме того, каждый импульсный ответный сигнал g_ki(t) на том же самом периоде T;
- дополняют две измеренные таким образом функции их нулевыми значениями соответственно на двух периодах от t = -∞ до t = 0 и от t = T до t = ∞;
- вырабатывают и запоминают "обратную" функцию g_ik (-t);
- рассчитывают функцию:
- запоминают рассчитанные таким образом функции, отмечая, что эти функции симметричны при jk вследствие того, что два импульсных ответных сигнала f_ij(t) и g_ik(t) сами симметричны по ij и по ik;
- и наконец, именно с этой запомненной таким образом функцией h_jk(t) осуществляют свертку подлежащих нейтрализации внешних шумов E_j(t) в соответствии с приведенной выше формулой V с целью определения противошумовых сигналов S_k(t).

Для прояснения преимуществ, обеспечиваемых только что описанным усовершенствованием, ниже приводится, разумеется, в чисто иллюстративных целях, конкретный числовой пример практической реализации предлагаемого изобретения:
- батарея 8 содержит структуру из 8 х 8 точек j, или из 64 точек j, в которых располагаются акустические элементы;
- кроме того, батарея 13 содержит структуру из 8 х 8 точек k или 64 точки k;
- батарея 6 содержит трехмерную кубическую решетчатую структуру из 8 х 8 х 8 = 612 точек i;
- период времени T составляет 100 мс, квантование непрерывного акустического сигнала осуществляется с частотой 100 кГц, что соответствует взятию 10000 выборок на каждое измерение. Разрешающая способность каждой выборки составляет 12 бит, что соответствует 1,5 байта. Таким образом, каждое измерение задействует в целом 15 килобайт.

Если приведенная выше общая формула III используется в этих условиях непосредственно, то приходится запоминать каждый из импульсных ответных сигналов f_ij(t) и g_ik(-t) или в целом закладывать в память 64х512=32768 измерений для каждого из двух семейств упомянутых выше функций. Однако, если принять во внимание симметрию, то можно вообще говоря разделить это число пополам. Но и в этом случае число подлежащих запоминанию измерений превышает 16000 для каждого семейства функций.

Произведение сверток двух этих семейств импульсных ответных сигналов и двойное произведение сверток упомянутых выше произведений с репрезентативной функцией внешних шумов E_j(t) приводит к необходимости использования достаточно мощных вычислительных и запоминающих средств.

В случае использования описанного выше усовершенствования в соответствии с предлагаемым изобретением:
- подготовительный этап выработки и запоминания функции включает суммирование от i = 1 до i = 512 всех 512 произведений сверток f_ij(t)⊕g_ik(-t): результат этого суммирования, который образует функцию, запоминается;
- затем следует этап реального создания упомянутых выше контр-шумов S, который состоит теперь только в задействовании определения запомненной таким образом функции h для каждой из пар переменных jk, то есть, принимая во внимание симметрию системы по jk, для общего числа таких пар всего лишь порядка 2080.

В конечном счете запоминание осуществляется для практического использования предлагаемого изобретения в объеме, составляющем 2080х15000 байтов, то есть примерно 31,2 мегабайта, что представляется вполне приемлемой величиной.

подводя итого всему сказанному выше относительно преимуществ предлагаемого изобретения, можно сказать:
- что на исходе упомянутой выше подготовительной фазы для рассматриваемого здесь численного примера число подлежащих запоминанию функций составляет всего лишь примерно 2000, тогда как в соответствии с общей формулой число этих подлежащих запоминанию функций приближается к 32000;
- а также, то, что если считать, что осуществляемое произведение сверток в каждом случае допускает два коэффициента, первый из которых представляет собой внешний шум E_j(t), то второй коэффициент определяется такой-то из 2000 функций в первом случае, тогда как в общем случае задействуется 16000 х 16000 = 256 миллионов упомянутых выше функций.

Вследствие этого и при любом принятом способе практической реализации в конечном счете обеспечивается формирование устройства, которое позволяет вполне эффективно защитить от нежелательных внешних шумов данный объем пространства, причем структура и функционирование этого устройства в достаточной степени должны удовлетворять тому, что было сказано выше.

Это устройство по сравнению с известными на сегодняшний день устройствами подобного типа представляет многочисленные преимущества и, в частности, преимущества обеспечения хорошей акустической защиты даже от внешних нежелательных шумов произвольного характера. При этом предлагаемое устройство обеспечивает вполне удовлетворительную акустическую защиту данного объема пространства даже в том случае, если рассматриваемый объем располагается внутри помещения, стены которого не подвергались специальной обработке, препятствующей отражению звуковых колебаний.

Само собой разумеется и следует, между прочим, из уже изложенного выше, что предлагаемое изобретение ни в коем случае не ограничивается теми вариантами практического применения и реализации, которые были здесь подробно рассмотрены специально для пояснения концепции этого изобретения. Напротив того, предлагаемое изобретение охватывает множество различных вариантов его практической реализации, и в частности:
- варианты, в которых акустические датчики или микрофоны 11_j и/или громкоговорители или другие источник акустического излучения 15_k, используемые для создания упомянутых выше контр-шумов, не будут теми же акустическими элементами, которые используются предварительно для калибровки или настройки рассматриваемой шумоподавляющей установки в присутствии батареи 6. Это тот самый случай, при котором должны быть введены соответствующие корректирующие коэффициенты, которые дадут возможность выполнить соответствующие расчеты с учетом различия характеристик ответных сигналов для различных используемых акустических элементов;
- варианты, где переменным фактором, создаваемым громкоговорителями и/или переменным фактором, фиксируемыми микрофонами, будет не акустическое давление, а скорость перемещения молекул воздуха. В этом случае в расчеты должны вводиться соответствующие корректирующие коэффициенты, причем переход от одной из этих переменных к другой обеспечивается дифференцированием или интегрированием по времени;
- и варианты, где в процессе выработки по меньшей мере одной из функций f и g роли и места расположения источников акустического излучения и акустических датчиков будут изменены по сравнению с тем, что было описано выше. Действительно, на основании теоремы соответствия функции f_ij(t), равная функция f_ij(t), может быть выработана либо путем использования коротких акустических импульсов, излученных из различных точек i, и их анализа соответствующих импульсных ответных сигналов в точках j, либо использованием коротких акустических импульсов, излученных из различных точек j и анализа соответствующих импульсных ответных сигналов в точках i. В частности, можно рассмотреть вариант размещения только источников акустического излучения в точках i для определения всех импульсов ответных сигналов f_ij(t) и g_ik(t), причем источники акустического излучения 15_k в этом случае заменяются на акустические датчики в точках k для определения импульсных ответных сигналов 9.

Формула изобретения

1. Устройство для защиты от внешних шумов некоторого заданного объема, содержащее батарею акустических датчиков, батарею источников акустического излучения и электронный блок, связанный с акустическими датчиками и источниками акустического излучения, отличающееся тем, что в случае, когда объем, подлежащий нейтрализации внешних шумов, располагается внутри некоторого замкнутого помещения, батареи акустических датчиков и источников акустического излучения расположены соответственно на двух различных расстояниях А и В от одной и той же фиктивной сетчатой батареи, определяющей положение в пространстве точек i, причем расстояние В по величине меньше расстояния А, электронный блок устроен таким образом, чтобы вырабатывать за время, меньшее промежутка времени (А-В)/V, где V - скорость звука в воздухе, сигналы S_k(t), причем каждый из упомянутых выше сигналов S_k(t) имеет вид:

где Е_j(t) - каждая составляющая внешнего шума на выходе акустических датчиков,
каждая функция f_ji(t) идентична обратной функции f_ij(t), которая представляет собой предварительно определенный и зарегистрированный импульсный ответный сигнал, соответствующий шуму, принятому акустическим датчиком с индексом j акустических датчиков излучением короткого акустического импульса от источника, который предполагается расположенным в точке i, каждая функция g_ik(-t) вырабатывается на основе функции g_ik(t), которая сама, в свою очередь, идентична обратной функции g_ki(t), которая, в свою очередь, представляет собой импульсный ответный сигнал, предварительно определенный и зарегистрированный, который соответствует шуму, принятому акустическим датчиком, который предполагается расположенным в точке i от излучения короткого акустического импульса источником акустического излучения с индексом k из батареи источников акустического излучения.

2. Способ защиты заданного объема от внешних шумов, состоящий в том, что батарея акустических датчиков принимает подлежащие нейтрализации внешние шумы Е_j(t), с помощью электронного блока вырабатывают ответные сигналы S_k(t), которые мгновенно подают на источники акустического излучения, отличающийся тем, что в случае, когда защищаемый объем расположен в помещении, батареи акустических датчиков и источников акустического излучения располагают на двух различных расстояниях А и В от одной и той же фиктивной сетчатой батареи, определяющей положение в пространстве точек i, причем расстояние В по величине меньше расстояния А, электронный блок вырабатывает ответные сигналы за время, меньшее промежутка времени (А-В) /V, где V - скорость звука в воздухе, и ответные сигналы S_k(t) формируют в соответствии с соотношением

где каждая функция f_ji(t) идентична обратной функции f_ij(t), которая представляет собой предварительно определенный и зарегистрированный импульсный ответный сигнал, соответствующий шуму, принятому акустическим датчиком с индексом j батареи акустических датчиков излучением короткого акустического импульса от источника, который предполагается расположенным в точке i, каждая функция g_ik(-t) вырабатывается на основе функции g_ik(t), которая сама в свою очередь идентична обратной функции g_ki(t), которая в свою очередь представляет собой импульсный ответный сигнал, предварительно определенный и зарегистрированный, который соответствует шуму, принятому акустическим датчиком, который предполагается расположенным в точке i от излучения короткого акустического импульса источником акустического излучения с индексом k из батареи источников акустического излучения.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что регистрацию внешних шумов Е_j(t), используемых для формирования сигналов S, осуществляют путем квантования с темпом, соответствующим одной восьмой части самого короткого периода колебаний, характеризующих обрабатываемые в данном случае акустические волны, то есть соответствующего наиболее высокой частоте колебаний из принятого частотного диапазона, в котором используемые акустические датчики обладают заданным уровнем чувствительности.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что область частот, в которой используемые в данном случае акустические датчики обладают заданным уровнем чувствительности, распространяется на 10 - 10000 Гц.

5. Способ по пп.2 - 4, отличающийся тем, что каждый сигнал вида S_k(t) представляет собой сигнал

где h_jk(t) представляет собой предварительно определенную и зарегистрированную функцию вида:

6. Способ по пп.2 - 5, отличающийся тем, что импульсные ответные сигналы f_ij(t) и g_ki(t) определяют, располагая в непосредственной близости от акустически защищаемого объема, и таким образом, чтобы ограничить по меньшей мере часть этого объема, сетчатую батарею, определяющую множество точек пространства i, в которых размещают в первый момент времени - источники акустического излучения, причем в этом случае ответные сигналы f_ij(t) определяют на уровне акустических датчиков в процессе излучения коротких акустических импульсов источниками акустического излучения, и в последующий момент времени - акустические датчики, причем в этом случае ответные импульсные сигналы g_ki(t) определяют на уровне акустических датчиков в процессе излучения коротких акустических импульсов источниками акустического излучения.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что по меньшей мере в одной из двух совокупностей источников акустического излучения (10_i, 15_k) и акустических датчиков (11_j, 12_i), используемых соответственно в процессе прохождения двух последовательных промежутков времени, меняют соответственно роли и места расположения источников акустического излучения и акустических датчиков.

8. Сетчатая батарея акустических элементов для защиты заданного объема от внешних шумов, содержащая жесткий каркас, выполненный достаточно ажурным и не создающим существенных препятствий для распространения акустических колебаний, с узлами для акустических элементов, расположенными на заданном расстоянии одно от другого.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2