Способ формирования сигнала для управления электроакустическим излучателем
Владельцы патента RU 2582304:
Потёмкин Владимир Георгиевич (RU)
Обыскалов Александр Николаевич (RU)
Изобретение относится к акустике. Способ предполагает работу громкоговорителя в тестовом и рабочем режимах и подачу на излучатель напряжения U(t), являющегося суммой традиционного сигнала Utr(t), пропорционального значению желаемого акустического давления и двух дополнительных сигналов Ud(t) и Und(t):
При этом Utr(t)=k·p(t); Ud(t)=k·(a0·p(t)′+a1·p(t)″);
При расчетах учитывают коэффициент k, определяющий уровень громкости, величину акустического давления p(t), первую и вторую производные от давления P(t)′, P(t)″, константу at, характеризующую скорость затухания колебательной системы, константы a0, a1, при которых скорость нарастания и спада сигналов акустического давления максимально приближена к скорости нарастания и спада тестовых сигналов, константы a2, a3, при которых форма сигнала акустического давления максимально приближена к форме сигнала тестовых сигналов. Технический результат - повышение качества звучания. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области радиотехники, а именно к способам уменьшения искажения формы акустического сигнала громкоговорителя, относительно формы сигнала, который требуется воспроизвести.
Известна система и способ для компенсации безинерционного нелинейного искажения в аудиопреобразователе (Патент RU 2440692 С2, МПК H04R 3/00, H04R 29/00, опубликовано: 20.01.2012).
Система воспроизведения аудио оценивает амплитуду и скорость сигнала, находит масштабный коэффициент из таблицы поиска (LUT) для заданной пары амплитуда, скорость (или вычисляет масштабный коэффициент для полиномиального приближения к LUT) и применяет масштабный коэффициент к амплитуде сигнала. Масштабный коэффициент - это оценка безынерционного нелинейного искажения преобразователя в точке фазовой плоскости, заданной посредством амплитуды, скорости, которое находится посредством применения испытательного сигнала, имеющего известную амплитуду и скорость сигнала, к преобразователю, измерения амплитуды записанного сигнала и задания масштабного коэффициента равным отношению амплитуды испытательного сигнала к амплитуде записанного сигнала. Масштабирование может быть использовано для того, чтобы пред- или посткомпенсировать звуковой сигнал в зависимости от аудиопреобразователя. Предложенное решение обеспечивает компенсацию в режиме реального времени безынерционного нелинейного искажения в аудиопреобразователе и является недорогим.
Недостатком предлагаемого изобретения является то, что система не позволяет компенсировать все помехи.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип предлагаемого изобретения, является способ уменьшения искажений звукового сигнала громкоговорителя, заключающийся в подаче поступающего электрического сигнала на вход громкоговорителя и его преобразовании в акустический сигнал, отличающийся тем, что громкоговоритель эксплуатируют в режиме наладки и в рабочем режиме, причем громкоговоритель в режиме наладки тестируют на ограниченное количество искажений путем преобразования искажений звукового сигнала на выходе громкоговорителя в электрический сигнал и записывают результаты тестирований, причем в рабочем режиме к громкоговорителю подключают компьютер, в который предварительно вводят записанные результаты тестирований, изменяя эти результаты на противоположные, и суммируют их с поступающим электрическим сигналом, преобразуя в корректирующий сигнал, а затем подают полученный, в зависимости от параметров поступающего электрического сигнала, корректирующий сигнал на громкоговоритель. Описанный способ позволяет повысить качество воспроизведения звукового сигнала за счет уменьшения уровня любых искажений, возникающих в громкоговорителе при его работе (Патент RU №2161379, МПК 7 H04R 9/00, G10K 11/00 от 01.06.2000).
Описанный выше аналог некоторым образом решает задачу сокращения искажений звуковоспроизводящих устройств лишь от ограниченного количества возникающих в громкоговорителе искажений. На практике невозможно записать все возникающие на громкоговорителе искажения, поэтому громкоговорители могут тестироваться на ограниченное количество характерных искажений, оказывающих наибольшее влияние на качество воспроизводимого звука. Как написано в описании, что чем больше введено в память компьютера результатов тестов, записанных в виде электрических сигналов, тем будет выше качество звучания громкоговорителя.
Задачей предлагаемого решения является устранение искажений при воспроизведении акустического сигнала электроакустическим излучателем, связанных с недостаточным учетом его физических параметров, выражающейся в существенной непохожести формы воспроизводимого акустического сигнала относительно формы того сигнала, который требуется воспроизвести.
Задача решается с помощью способа формирования сигнала управления электроакустическим излучателем, с его акустическим оформлением, для лучшего воссоздания формы акустического сигнала, в границах рабочего диапазона амплитуды и частот электроакустического излучателя, на заданном расстоянии по оси излучателя, включающий эксплуатацию излучателя в тестовом режиме и рабочем режиме и подачу напряжения на излучатель.
На излучатель подают сигнал напряжения U(t), который включает традиционный сигнал Utr(t) и два дополнительных сигнала напряжения Ud(t) и Und(t):
где Utr(t) - традиционный сигнал напряжения, пропорциональный значению желаемого акустического давления
Utr(t)=k·p(t);
Ud(t) - дополнительный сигнал напряжения, получаемый согласно формуле 
Und(t) - дополнительный сигнал напряжения, получаемый согласно формуле
k - коэффициент, определяющий уровень громкости;
t - текущее время;
t′ - переменная интегрирования по времени;
t″ - переменная интегрирования по времени;
p(t) - акустическое давление, которое хочется воспроизвести;
p(t)′, P(t)″ - первая и вторая производная давления по времени;
at - константа в формуле, характеризующая скорость затухания колебательной системы электроакустического излучателя;
а0, a1 - константы в формуле, имеют значения, при которых скорость нарастания и спада сигналов акустического давления при воспроизведении электроакустическим излучателем тестовых сигналов, которые находятся в границах рабочего диапазона частот излучателя, максимально приближена к скорости нарастания и спада тестовых сигналов, а форма сигналов акустического давления имеет наименьшие искажения;
а2, а3 - константы в формуле, имеют значения, при которых форма сигнала акустического давления при воспроизведении электроакустическим излучателем тестовых сигналов, находящихся в границах рабочего диапазона частот излучателя, максимально приближена к форме тестовых сигналов.
Предпочтительно дополнительные сигналы напряжения подают на вход индивидуального электроакустического излучателя.
Предпочтительно дополнительные сигналы напряжения подают на вход серийного электроакустического излучателя.
Предпочтительно исходный и преобразованный сигналы проходят фильтрацию на фильтрах верхних и нижних частот для того, чтобы подаваемый на излучатель сигнал был в границах рабочего диапазона частот излучателя.
Предпочтительно величины констант at, а0, a1, а2, а3 выбираются такими, что воспроизведение акустического давления p(t) наиболее полно отвечает чьему-либо вкусу или желанию.
Предпочтительно подают последовательность прямоугольных импульсов или одиночных синусов в качестве тестовых сигналов.
Константы а0, a1 стоят перед функциями, отвечающими за правильность воспроизведения быстрых изменений сигнала акустического давления, находящихся в границах рабочего диапазона частот излучателя от fmax до fmin.
Константы а2, а3 стоят перед функциями, отвечающими за правильность воспроизведения более медленных, чем для констант а0, а1, изменений сигнала акустического давления, находящихся в границах рабочего диапазона частот излучателя от fmax до fmin.
Изобретение позволяет существенно достовернее воспроизводить акустическим излучателем, например ДЗГ, форму любого акустического сигнала, чем это было до применения данного изобретения. Так как величина подаваемого на акустический излучатель сигнала рассчитывается по формуле, то предлагаемый способ в отличие от прототипа решает задачу сокращения искажений излучаемого акустического сигнала, связанных с недостаточным учетом физических параметров акустического излучателя при формировании подаваемого на излучатель сигнала, что позволяет существенно улучшить качество воспроизводимого акустического сигнала.
Пусть до момента времени t0 акустический сигнал равен нулю. С момента t0 на динамическую звуковую головку (ДЗГ) подается электрический сигнал напряжения
где p(t) - акустическое давление, которое хочется создать;
k - коэффициент, определяющий уровень громкости.
Звуковое давление pa(t,R), которое при этом излучается ДЗГ на заданном расстоянии R от излучателя по его оси не пропорционально p(t). Это происходит потому, что в каждый момент времени энергия, подводимая к ДЗГ, идет не только на излучение, т.к. непрерывно имеют место перетекания энергии. В итоге лишь форма огибающих амплитуд величин pa(t,R) и p(t) имеют некоторую похожесть.
На пути к решению вопроса достоверного воспроизведения акустического сигнала производители по максимуму уменьшают массу подвижной системы электроакустических излучателей. Массу подвижной системы, если она состоит из каких-то деталей, сделать с нулевым весом нереально. Многие электроакустические излучатели являются индуктивной нагрузкой для усилителя, но величина индуктивности, которая тоже существенно влияет на скорость нарастания и спада акустического сигнала, не может быть уменьшена до нуля или близко к нему, т.к. это не позволит двигаться излучателю - сила будет нулевая.
Подвижная система электроакустического излучателя, как правило, обладает определенной жесткостью. Чем больше жесткость, тем больше потенциальной энергии она запасает или отдает при смещении из положения равновесия. Чем больше энергии она получает либо отдает при смещении подвижной системы, тем труднее ее разогнать или притормозить для создания соответствующего звукового давления и это приводит к существенному отличию формы воспроизводимого акустического сигнала от формы сигнала подаваемого на ДЗГ, что является типичным электроакустических преобразователей с подвесом, обладающим ненулевой жесткостью. Также подвижная система электроакустического излучателя обладает трением и другими источниками диссипации энергии при ее движении.
Для создания желаемого акустического давления p(t) на электроакустический излучатель традиционно подают напряжение
Utr(t)=k·p(t),
где k - коэффициент, определяющий уровень громкости.
Если бы излучатель представлял бесконечную плоскость, не имеющую массы, совершающую движения как единое целое по своей нормали, а его движитель, по направлению к нормали, создавал движущую силу, величина которой пропорциональна величине подаваемого напряжения, тогда в среде создавалась бы плоская волна с акустическим давлением пропорциональным p(t).
Реально существующие излучатели, например ДЗГ, имеют: конечные размеры, подвижную систему, имеющую массу и жесткость, а движитель имеет трение, активное сопротивление и другие источники диссипации энергии, имеется индуктивность, и сила протекающего через излучатель тока отличается по форме от изменений напряжения, поданного на его вход.
Вместо подачи напряжения
Utr(t)=k·p(t),
на электроакустический излучатель подадим сигнал вида
где k - коэффициент, определяющий уровень громкости;
t - текущее время;
t′ - переменная интегрирования по времени;
p(t) - акустическое давление, которое хочется воспроизвести;
p(t)′, p(t)″ - первая и вторая производная давления по времени;
at - константа в формуле, характеризующая скорость затухания колебательной системы электроакустического излучателя;
а0, a1 - константы в формуле, имеют значения, при которых скорость нарастания и спада сигналов акустического давления при воспроизведении электроакустическим излучателем тестовых сигналов, которые находятся в границах рабочего диапазона частот излучателя, максимально приближена к скорости нарастания и спада тестовых сигналов, а форма сигналов акустического давления имеет наименьшие искажения;
а2, а3 - константы в формуле, имеют значения, при которых форма сигнала акустического давления, при воспроизведении электроакустическим излучателем тестовых сигналов, находящихся в границах рабочего диапазона частот излучателя, максимально приближена к форме тестовых сигналов.
Сигналы 
и (4)
являются дополнительными сигналами напряжения, которые подаются дополнительно к традиционно подаваемому сигналу
Utr(t)=k·p(t).
Подача дополнительных сигналов Ud(t) и Und(t) позволяет улучшить форму воспроизводимого акустического сигнала при воспроизведении акустического давления p(t), в границах рабочего диапазона амплитуды и частот электроакустического излучателя.
Величины констант at, а0, а1, а2, а3 для конкретного электроакустического излучателя, например ДЗГ, можно определить, если варьировать величины значений констант at, а0, а1, а2, а3 и подавать тестовые сигналы в границах рабочего диапазона амплитуды и частот излучателя, зафиксировав те значения констант, при которых форма воспроизведения тестовых сигналов, которые излучается ДЗГ на заданном расстоянии R от излучателя по его оси, будет наилучшей (критерий наибольшей достоверности) или наиболее соответствует вкусу конкретного пользователя (критерий комфортности звучания). При использовании критерия наибольшей достоверности для воспроизведения акустических сигналов легче находить величины констант at, а0, а1, а2, а3, если подавать на ДЗГ сигналы простого вида - типа последовательности прямоугольных импульсов или последовательности одиночных синусов.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом:
Ниже приведен пример проведения тестовых испытаний для определения значения констант at, а0, а1, а2, а3 для акустического излучателя, работающего в полосе частот от fmax до fmin.
В соответствии с уже вышесказанным для этого используем тестовый сигнал последовательности прямоугольных импульсов pr(t), который предварительно пропускаем через фильтр высоких и фильтр низких частот для того, чтобы спектр отфильтрованного сигнала fpr(t) попадал в область от fmax до fmin, т.е. был в границах рабочего диапазона частот акустического излучателя. Функция fpr(t) имеет форму сигнала, близкую к той, которую в идеальном случае должен воспроизвести электроакустический излучатель в границах своего рабочего диапазона частот при воспроизведении сигнала pr(t).
А. Определение констант at и а2.
Сначала предварительно определим значение констант at, а2 в формуле (3), приняв значение констант: а0=0, а1=0, а3=0.
Для этого в соответствии с формулой (3) подаем на акустический излучатель сигнал напряжения
где k - коэффициент, определяющий уровень громкости;
t - текущее время;
t′ - переменная интегрирования по времени;
t″ - переменная интегрирования по времени;
fpr(t) - отфильтрованный в границах от fmax до fmin сигнал последовательности прямоугольных импульсов pr(t);
fpr(t)′, fpr(t)″ - первая и вторая производные сигнала fpr(t) по времени;
at - константа в формуле;
а0=0 - принятое нами значение константы;
а1=0 - принятое нами значение константы;
а2=2006 - произвольно выбранное нами значение константы;
а3=0 - принятое нами значение константы.
Запоминаем воспроизводимый акустический сигнал, получаемый при подаче на акустический излучатель сигнала напряжения
U(t)=k·fpr(t).
Назовем его Pa(t, 0, 0, 0, 0).
Константа at, характеризующая скорость затухания колебательной системы, больше или равна 1/fmax и меньше или равна 1/fmin. Для упрощения описания алгоритма нахождения величины 1/at делаем перебор, например, для 5 ее значений от fmin до fmax разделив интервал значений частот на 4 отрезка. В этом случае мы проверим значения: fmin, (fmin+(fmin+fmax)/2)/2, (fmin+fmax)/2, ((fmin+fmax)/2+fmax)/2, fmax.
При некотором значении at1 будет наиболее качественное воспроизведение акустического сигнала.
Делаем новый отрезок допустимых значений. Понятно, что если значение at1 будет на одном из краев, то длина нового отрезка допустимых значений будет равна 1/4 от длины предыдущего отрезка допустимых значений. Если значение at1 будет не на краю, то длина нового отрезка допустимых значений будет равна 1/2 от длины предыдущего отрезка допустимых значений.
Делим отрезок допустимых значений на 4 отрезка и из 5 значений. Вновь находим наилучшее для воспроизведения звукового сигнала значение at1.
Когда мы уже перестаем видеть улучшение воспроизводимого сигнала при небольших изменениях at, мы запоминаем at=At.
При каждом из проверяемых значений at проводим поиск а2. Алгоритм поиска а2 прописан ниже.
Запоминаем воспроизводимый акустический сигнал, получаемый при подаче на акустический излучатель сигнала напряжения
Назовем его Pa(t, 0, 0, 2006, 0).
1. Если сигнал Pa(t, 0, 0, 2006, 0) очень похож на Pa(t, 0, 0, 0, 0), значит, значение величины а2=2006 слишком мало и мы должны увеличивать значение величины а2 до того значения а21, когда мы зримо увидим небольшое отличие формы сигналов Pa(t, 0, 0, а21, 0) и Pa(t, 0, 0, 0, 0).
Если сигнал Pa(t, 0, 0, 2006, 0) сильно отличается Pa(t, 0, 0, 0, 0), значит, значение величины а2=2006 слишком велико и мы должны уменьшать значение величины а2 до того значения а21, когда мы зримо увидим небольшое отличие формы сигналов Pa(t, 0, 0, а21, 0) и Pa(t, 0, 0, 0, 0).
Запоминаем воспроизводимые акустические сигналы, полученные при подаче на акустический излучатель сигналов напряжения с выбранной константой а2=а21
Назовем их соответственно Pa(t, 0, 0, а21, 0) и Pa(t, 0, 0, -а21, 0).
2. Сравниваем формы сигналов.
Если похожесть сигналов нарастает в последовательности Pa(t, 0, 0, -а21, 0), Pa(t, 0, 0, 0, 0), Pa(t, 0, 0, а21, 0), fpr(t), то значение величины а2 положительно.
Если похожесть сигналов нарастает в последовательности Pa(t, 0, 0, а21, 0), Pa(t, 0, 0, 0, 0), Pa(t, 0, 0, -а21, 0), fpr(t), то значение величины а2 отрицательно.
3. Определив знак + или - величины а2, проводим более точное определение ее значения.
Начинаем увеличивать абсолютную величину константы а2. Первоначально у воспроизводимого акустического сигнала Pa(t, 0, 0, а2, 0) увеличивается похожесть на сигнал fpr(t). Затем форма сигнала начинает ухудшаться. Т.е. сначала форма сигнала Pa(t, 0, 0, а2, 0) при увеличении а2 по абсолютной величине от а2=0 до а2=А2 приближается по форме к форме сигнала fpr(t), затем при дальнейшем увеличении абсолютной величины константы а2 форма сигнала Pa(t, 0, 0, а2, 0) приобретает несвойственную сигналу fpr(t) форму. Запоминаем значение at=At, а2=А2.
B. Определение константы a3.
На этапе B. мы определяем величину константы a3 при а0=0, а1=0 и найденном выше, с некоторой точностью, значении at=At, а2=А2.
Для этого в соответствии с формулой (3) подаем на акустический излучатель сигнал напряжения
где k - коэффициент, определяющий уровень громкости;
t - текущее время;
t′ - переменная интегрирования по времени;
t″ - переменная интегрирования по времени;
fpr(t) - отфильтрованный в границах от fmax до fmin сигнал последовательности прямоугольных импульсов pr(t);
fpr(t)′, fpr(t)″ - первая и вторая производные сигнала fpr(t) по времени;
at=At;
а0=0 - принятое нами значение константы;
a1=0 - принятое нами значение константы;
а2=А2;
а3=2004 - произвольно выбранное нами значение константы.
Запоминаем воспроизводимый акустический сигнал, получаемый при подаче на акустический излучатель сигнала напряжения
Назовем его Pa(t, 0, 0, А2, 0).
Запоминаем воспроизводимый акустический сигнал, получаемый при подаче на акустический излучатель сигнала напряжения
Назовем его Pa(t, 0, 0, А2, 2004).
1. Если сигнал Pa(t, 0, 0, А2, 2004) очень похож на Pa(t, 0, 0, А2, 0), значит, значение величины а3=2004 слишком мало и мы увеличиваем значение величины a3 до того значения а31, когда увидим небольшое отличие формы сигналов Pa(t, 0, 0, А2, а31) и Pa(t, 0, 0, A2, 0).
Если сигнал Pa(t, 0, 0, А2, 2004) сильно отличается от Pa(t, 0, 0, А2, 0), значит, значение величины a3=2004 слишком велико, то мы уменьшаем значение величины a3 до того значения а31, когда увидим небольшое отличие формы сигналов Pa(t, 0, 0, А2, а31) и Pa(t, 0, 0, A2, 0).
Запоминаем воспроизводимые акустические сигналы, полученные при подаче на акустический излучатель сигналов напряжения с выбранной константой а3=а31
Назовем их соответственно Pa(t, 0, 0, А2, а31) и Pa(t, 0, 0, А2, -а31).
2. Сравниваем формы сигналов.
Если похожесть сигналов нарастает в последовательности Pa(t, 0, 0, А2, -а31), Pa(t, 0, 0, А2, 0), Pa(t, 0, 0, А2, а31), fpr(t), то значение величины а3 положительно.
Если похожесть сигналов нарастает в последовательности Pa(t, 0, 0, А2, а31), Pa(t, 0, 0, А2, 0), Pa(t, 0, 0, А2, -а31), fpr(t), то значение величины а3 отрицательно.
3. Определив знак + или - величины а3, проводим более точное определение ее значения. Начинаем увеличивать абсолютную величину константы а3. Первоначально у воспроизводимого акустического сигнала Pa(t, 0, 0, А2, а3) увеличивается похожесть на сигнал fpr(t). Затем форма сигнала начинает ухудшаться. Т.е. сначала форма сигнала Pa(t, 0, 0, А2, а3) при увеличении а3 по абсолютной величине от а3=0 до а3=A3 приближается по форме к форме сигнала fpr(t), затем при дальнейшем увеличении абсолютной величины константы а3 форма сигнала Pa(t, 0, 0, А2, а3) приобретает несвойственную сигналу fpr(t) форму. Запоминаем значение а3=A3.
С. Определение константы а0.
На этапе С. мы определяем величину константы а0 при a1=0 и найденных выше, с некоторой точностью, значениях at=At, a2=А2, а3=A3.
Для этого в соответствии с формулой (3) подаем на акустический излучатель сигнал напряжения
где k - коэффициент, определяющий уровень громкости;
t - текущее время;
t′ - переменная интегрирования по времени;
t″ - переменная интегрирования по времени;
fpr(t) - отфильтрованный в границах от fmax до fmin сигнал последовательности прямоугольных импульсов pr(t);
fpr(t)′, fpr(t)″ - первая и вторая производные сигнала fpr(t) по времени;
at=At;
а0=1984 - произвольно выбранное нами значение константы;
а1=0 - принятое нами значение константы
а2=А2;
а3=А3.
Запоминаем воспроизводимый акустический сигнал, получаемый при подаче на акустический излучатель сигнала напряжения
Назовем его Pa(t, 0, 0, А2, A3).
Запоминаем воспроизводимый акустический сигнал, получаемый при подаче на акустический излучатель сигнала напряжения
Назовем его Pa(t, 1984, 0, А2, A3).
1. Если сигнал Pa(t, 1984, 0, А2, A3) очень похож на Pa(t, 0, 0, А2, A3), значит, значение величины а0=1984 слишком мало и мы должны увеличивать значение величины а0 до того значения а01, когда мы зримо увидим небольшое отличие формы сигналов Pa(t, а01, 0, А2, A3) и Pa(t, 0, 0, A2, A3).
Если сигнал Pa(t, 1984, 0, А2, A3) сильно отличается Pa(t, 0, 0, А2, A3), значит, значение величины а0=1984 слишком велико и мы должны уменьшать значение величины а0 до того значения а01, когда мы зримо увидим небольшое отличие формы сигналов Pa(t, а01, 0, A2, A3) и Pa(t, 0, 0, А2, A3).
Запоминаем воспроизводимые акустические сигналы, полученные при подаче на акустический излучатель сигналов напряжения с выбранной константой а0= а01
Назовем их соответственно Pa(t, а01, 0, A2, A3) и Pa(t, -а01, 0, A2, A3).
2. Сравниваем форму сигналов Pa(t, а01, 0, A2, A3) и Pa(t, -а01, 0, A2, A3). Относительно сигнала Pa(t, 0, 0, A2, A3) один из них будет иметь более пологие фронты сигнала, другой более крутые.
Если более крутой фронт нарастания воспроизводимого акустического сигнала при положительном значении величины а0, то ее значение положительно.
Если более крутой фронт нарастания воспроизводимого акустического сигнала при отрицательном значении величины а0, то ее значение отрицательно.
3. Определив знак + или - величины а0, проводим более точное определение ее значения.
Начинаем увеличивать абсолютную величину константы а0. Первоначально у воспроизводимого акустического сигнала увеличивается крутизна фронта сигнала. Затем в районе фронтов сигнала начинают появляться искажения в виде дополнительного пика. Т.е. сначала форма сигнала Pa(t, а0, 0, A2, A3) при увеличении а0 по абсолютной величине от а0=0 до а0=А0 приближается по форме к форме сигнала fpr(t), затем при дальнейшем увеличении абсолютной величины константы а0 фронты сигнала Pa(t, а0, 0, A2, A3) приобретают несвойственную сигналу fpr(t) крутизну фронтов и искажения вплоть до добавочных пиков на фронтах сигналов. Запоминаем значение а0=А0.
D. Определение константы а1.
На этапе D. мы определяем величину константы а1 при найденных выше, с некоторой точностью, значениях at=At, а0=А0, а2=A2, а3=A3.
Для этого в соответствии с формулой (3) подаем на акустический излучатель сигнал напряжения
где k - коэффициент, определяющий уровень громкости;
t - текущее время;
t′ - переменная интегрирования по времени;
t″ - переменная интегрирования по времени;
fpr(t) - отфильтрованный в границах от fmax до fmin сигнал последовательности прямоугольных импульсов pr(t);
fpr(t)′, fpr(t)″ - первая и вторая производные сигнала fpr(t) по времени;
at=At;
а0=А0;
а1=1957 - произвольно выбранное нами значение константы;
а2=А2;
а3=А3.
Запоминаем воспроизводимый акустический сигнал, получаемый при подаче на акустический излучатель сигнала напряжения
Назовем его Pa(t, А0, 0, А2, A3).
Запоминаем воспроизводимый акустический сигнал, получаемый при подаче на акустический излучатель сигнала напряжения
Назовем его Pa(t, А0, 1957, А2, A3).
1. Если сигнал Pa(t, А0, 1957, А2, A3) очень похож на Pa(t, А0, 0, А2, A3), значит, значение величины а1=1957 слишком мало и мы увеличиваем значение величины а1 до того значения а11, когда увидим небольшое отличие формы сигналов Pa(t, А0, а11, A2, A3) и Pa(t, А0, 0, А2, A3).
Если сигнал Pa(t, А0, 1957, А2, A3) сильно отличается от Pa(t, А0, 0, А2, A3), значит, значение величины а1=1957 слишком велико и мы уменьшаем значение величины а1 до того значения а11, когда увидим небольшое отличие формы сигналов Pa(t, А0, а11, А2, A3) и Pa(t, А0, 0, А2, A3).
Запоминаем воспроизводимые акустические сигналы, полученные при подаче на акустический излучатель сигналов напряжения с выбранной константой а1= а11
Назовем их соответственно Pa(t, А0, а11, A2, A3) и Pa(t, А0, -а11, A2, A3).
2. Сравниваем формы сигналов Pa(t, А0, а11, A2, A3) и Pa(t, А0, -а11, A2, A3). Относительно сигнала Pa(t, А0, 0, A2, A3) один из них будет иметь более пологие фронты сигнала, другой более крутые.
Если более крутой фронт нарастания воспроизводимого акустического сигнала при положительном значении величины а1, то ее значение положительно.
Если более крутой фронт нарастания воспроизводимого акустического сигнала при отрицательном значении величины а1, то ее значение отрицательно.
3. Определив знак + или - величины а1, проводим более точное определение ее значения.
Начинаем увеличивать абсолютную величину константы а1. Первоначально у воспроизводимого акустического сигнала увеличивается крутизна фронта сигнала. Затем в районе фронтов сигнала начинают появляться искажения в виде дополнительного пика. Т.е. сначала форма сигнала Pa(t, А0, а1, A2, A3) при увеличении а1 по абсолютной величине от а1=0 до а1=А1 приближается по форме к форме сигнала fpr(t), затем при дальнейшем увеличении абсолютной величины константы а1 фронты сигнала Pa(t, А0, а1, A2, A3) приобретают несвойственную сигналу fpr(t) крутизну фронтов и искажения вплоть до добавочных пиков на фронтах сигналов. Запоминаем значение а1=А1.
Е. Уточнение значения констант at, а0, а1, а2, а3.
Когда мы определили в первом приближении величины констант at, а0, а1, а2, а3, мы можем уточнить их значение, варьируя их величину вблизи величин At, А0, А1, A2, A3, добиваясь большей похожести воспроизводимого акустического сигнала на fpr(t). Таким образом, мы находим уточненные значения констант at, а0, а1, а2, а3 для наиболее точного воспроизведения звукового сигнала акустическим излучателем. Назовем эти значения At, А0, А1, A2, A3 соответственно для at, а0, а1, а2, а3.
Последовательность нахождения коэффициентов при их подборе не имеет существенного значения.
F. Для лучшего воспроизведения акустического сигнала требуется, чтобы сигнал, подаваемый на акустический излучатель 
попадал в область от fmax до fmin, т.е. был в границах рабочего диапазона частот акустического излучателя.
Каждому акустическому излучателю с его акустическим оформлением соответствует свои коэффициенты в формуле (3) зависимости Ud(t) от p(t). Если повторяемость физических параметров электроакустического излучателя и его акустического оформления достаточно высока, то можно находить значения коэффициентов at, а0, а1, а2, а3 один раз для всех подобных электроакустических излучателей. Формулу зависимости Ud(t) от p(t) для конкретного электроакустического излучателя, например ДЗГ, с его акустическим оформлением мы закладываем в счетное устройство, которое будет работать с этим излучателем.
Слуховые вкусы у людей различны и достаточно субъективны, поэтому источник сигнала с регулировками по значению величин at, а0, а1, а2, а3 может быть востребован. Имеется возможность широкой области регулировок (регулировками по at, а0, а1, а2, а3) от наиболее достоверного, когда at=At, a0=А0, a1=А1, a2=А2, a3=A3, до любого более недостоверного воспроизведения вплоть до традиционного способа подачи сигнала на акустический излучатель, когда величины at, а0, а1, а2, а3 равны нулю. Действительно, подставив at=0, a0=0, a1=0, a2=0, a3=0 в выражение (3), получим U(t)=k·p(t).
Это и есть традиционный способ подачи сигнала на акустический излучатель.
Пусть нам требуется воспроизвести электроакустическим излучателем с известными константами at, а0, а1, а2, а3, например ДЗГ, с ее акустическим оформлением, акустическое давление пропорциональное сигналу p(t) в границах рабочего диапазона амплитуды и частот излучателя и записанному, например, на компакт диске.
1. Считываем сигнал с диска.
2. Пропускаем сигнал через фильтр разрешенных частот и получаем fp(t).
3. Подаем сигнал fp(t) на счетное устройство, где по формуле преобразования сигнала (3) рассчитываем величину напряжения U(t), которое следует подать на вход электроакустического излучателя.
4. Преобразуем значение величины напряжения U(t), рассчитанное, как было показано выше в соответствии с предлагаемым изобретением, в электрический сигнал.
5. Подаем электрический сигнал на электроакустический излучатель, который создает акустический сигнал.
Изобретение позволяет существенно достовернее воспроизводить акустическим излучателем, например ДЗГ, форму любого акустического сигнала, чем это было до применения данного изобретения. Так как величина подаваемого на акустический излучатель сигнала рассчитывается по формуле, то предлагаемый способ в отличие от прототипа решает задачу сокращения искажений излучаемого акустического сигнала, связанных с недостаточным учетом физических параметров акустического излучателя при формировании подаваемого на излучатель сигнала, что позволяет существенно улучшить качество воспроизводимого акустического сигнала.
В качестве примера рассмотрим на фиг. 1, фиг. 2 реальные сигналы, воспроизводимые ДЗГ в не заглушенной комнате без использования предлагаемого изобретения и с ним.
На фиг. 1а показан сигнал, который требуется воспроизвести - последовательность одиночных синусов.
На фиг. 1b акустический сигнал, который воспроизводит ДЗГ при подаче на ее вход сигнала с фиг. 1а предварительно пропущенного через фильтр разрешенных частот. Видны существенные отличия в амплитуде и фазе воспроизводимого сигнала, затухание акустического сигнала после прекращения подачи электрического сигнала происходит медленнее, чем в случае фиг. 1с.
На фиг. 1с акустический сигнал, который воспроизводит ДЗГ при подаче на вход сигнала, рассчитанного на счетном устройстве, где по формуле преобразования сигнала рассчитывается величина напряжения U(t), которое следует подать на вход электроакустического излучателя согласно изобретению. Видно существенное улучшение качества воспроизведения сигнала при использовании изобретения, в частности более быстрое нарастание сигнала и более быстрое затухание сигнала, видно, что сигналы фиг. 1а и фиг. 1с существенно более похожи по форме, чем сигналы фиг. 1а и фиг. 1b.
На фиг. 2а показан сигнал, который требуется воспроизвести.
На фиг. 2b акустический сигнал, который воспроизводит ДЗГ при подаче на ее вход сигнала с фиг. 2а, предварительно пропущенного через фильтр разрешенных частот. Видны существенные отличия формы воспроизводимого сигнала.
На фиг. 2с акустический сигнал, который воспроизводит ДЗГ при подаче на вход сигнала, рассчитанного на счетном устройстве, где по формуле преобразования сигнала рассчитывается величина напряжения U(t), которое следует подать на вход электроакустического излучателя согласно изобретению. Видно существенное улучшение качества воспроизведения сигнала при использовании изобретения. Искажения незначительны.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является устранение искажений при воспроизведении акустического сигнала электроакустическим излучателем, связанных с недостаточным учетом его физических параметров, выражающееся в существенной непохожести формы воспроизводимого акустического сигнала относительно формы того сигнала, который требуется воспроизвести. Использование изобретения позволяет воссоздавать акустический сигнал любой формы с большей похожестью на сигнал звукового образа в границах рабочего диапазона амплитуды и частот акустического излучателя.
1. Способ формирования сигнала управления электроакустическим излучателем, с его акустическим оформлением, для лучшего воссоздания формы акустического сигнала, в границах рабочего диапазона амплитуды и частот электроакустического излучателя, на заданном расстоянии по оси излучателя, включающий эксплуатацию излучателя в тестовом режиме и рабочем режиме и подачу напряжения на излучатель, отличающийся тем, что на излучатель подают сигнал напряжения U(t), который включает традиционный сигнал Utr(t) и два дополнительных сигнала напряжения Ud(t) и Und(t):
где Utr(t) - традиционный сигнал напряжения, пропорциональный значению желаемого акустического давления
Utr(t)=k·p(t);
Ud(t) - дополнительный сигнал напряжения, получаемый согласно формуле
Ud(t)=k·(a0·p(t)′+a1·p(t)″);
Und(t) - дополнительный сигнал напряжения, получаемый согласно формуле
k - коэффициент, определяющий уровень громкости;
t - текущее время;
t′ - переменная интегрирования по времени;
t″ - переменная интегрирования по времени;
p(t) - акустическое давление, которое хочется воспроизвести;
p(t)′, p(t)″ - первая и вторая производные давления по времени;
at - константа в формуле, характеризующая скорость затухания колебательной системы электроакустического излучателя;
a0, a1 - константы в формуле, имеют значения, при которых скорость нарастания и спада сигналов акустического давления при воспроизведении электроакустическим излучателем тестовых сигналов, которые находятся в границах рабочего диапазона частот излучателя, максимально приближена к скорости нарастания и спада тестовых сигналов, а форма сигналов акустического давления имеет наименьшие искажения;
a2, a3 - константы в формуле, имеют значения, при которых форма сигнала акустического давления при воспроизведении электроакустическим излучателем тестовых сигналов, находящихся в границах рабочего диапазона частот излучателя, максимально приближена к форме сигнала тестовых сигналов.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительные сигналы напряжения подают на вход индивидуального электроакустического излучателя.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительные сигналы напряжения подают на вход серийного электроакустического излучателя.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что исходный и преобразованный сигналы проходят фильтрацию на фильтрах верхних и нижних частот для того, чтобы подаваемый на излучатель сигнал был в границах рабочего диапазона частот излучателя.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величины констант at, a0, a1, a2, a3 выбираются такими, что воспроизведение акустического давления p(t) наиболее полно отвечает чьему-либо вкусу или желанию.
6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что подают последовательность прямоугольных импульсов или одиночных синусов в качестве тестовых сигналов.
