Спосіб корекції звуковідтворюючих пристроїв

Реферат: UA 72175 U UA 72175 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Корисна модель належить до області регулювання тембру в звуковідтворюючих пристроях і може використовуватися для поліпшення звучання звуковідтворюючих пристроїв. Відомий спосіб частотної корекції гучномовців [1], при якому електричний звуковий сигнал, що подається на гучномовець, пропускають через інверсний фільтр з амплітудно-частотною характеристикою виду l(f) = С/K(f), де С - сталий коефіцієнт і K(f) - амплітудно-частотна характеристика гучномовця, яка виміряна з використанням вимірювального мікрофону. За рахунок використання фільтрації у прототипі може досягатися лінеаризація результуючої амплітудно-частотної характеристики I(f)K(f) звукового тракту. Лінійна частотна характеристика не являється оптимальною для звуковідтворюючих пристроїв у тому випадку, якщо вони знаходяться на малій відстані від слухача. Таким чином, лінеаризація амплітудно-частотної характеристики звукового тракту у відомому способі може призводити до низької якості звуку. Крім того, інверсний фільтр значно посилює сигнал в тих смугах частот, в яких частотна характеристика звуковідтворюючого пристрою має малі значення, що приводить до наступних недоліків відомого способу: - низьке відношення сигнал/шум, що обумовлене малим середнім значенням величини звукового сигналу на виході фільтруючого пристрою в порівнянні з його максимальним значенням (відношення максимального допустимого значення величини звукового сигналу на виході фільтруючого пристрою до середнього значення величини шуму на виході фільтруючого пристрою є фіксованим і залежить від обраного типу фільтруючого пристрою); - низький к.к.д. звуковідтворюючого пристрою, обумовлений тим, що звуковідтворюючий пристрій забезпечуватиме заданий рівень звукового тиску навіть на тих частотах, на яких його власна амплітудно-частотна характеристика має низькі значення, а значить на цих частотах буде потрібна значно вища потужність електричного сигналу, що подається на звуковідтворюючий пристрій (цю вищу потужність задасть користувач, встановлюючи регулятором гучності необхідний для нього рівень гучності); - підвищене енергоспоживання підсилювача звукових частот, що обумовлене вищою потужністю, що необхідна для забезпечення звуковідтворюючим пристроєм заданого рівня звукового тиску навіть на тих частотах, на яких його власна амплітудно-частотна характеристика має низькі значення; - високий рівень нелінійних спотворень, обумовлених більшою амплітудою руху звукової котушки звуковідтворюючого пристрою, що необхідна для забезпечення звуковідтворюючим пристроєм заданого рівня звукового тиску навіть на тих частотах, на яких його власна амплітудно-частотна характеристика має низькі значення; - можливе зниження терміну служби звуковідтворюючого пристрою, що обумовлене більшою амплітудою руху звукової котушки звуковідтворюючого пристрою, що необхідна для забезпечення звуковідтворюючим пристроєм заданого рівня звукового тиску навіть на тих частотах, на яких його власна амплітудно-частотна характеристика має низькі значення; - підвищена нестабільність характеристик звуковідтворюючого пристрою, що обумовлена підвищеним нагрівом його котушки внаслідок вказаного вище низького к.к.д. звуковідтворюючого пристрою. Наявність у відомому способі перерахованих недоліків призводить до того, що замість поліпшення якості звуку він, в окремих випадках, може погіршувати якість звуку. Найбільш близьким до способу, що заявляється, є спосіб [2] корекції звуковідтворюючих пристроїв, при якому звуковий сигнал, що подається на звуковідтворюючий пристрій, пропускають через фільтр з амплітудно-частотною характеристикою, заданою вираженням: , 1 при mKE ( f )  K T ( f ) P( f )   mKE ( f ) / K T ( f ), при mKE ( f )  K T ( f ) , де P(f ) 50 55 - амплітудно-частотна характеристика фільтру, KT (f ) - амплітудно-частотна характеристика звуковідтворюючого пристрою, що коригується, KE (f ) - амплітудно-частотна характеристика еталонного звуковідтворюючого пристрою, що виміряна в умовах близьких до умов виміру KT (f ) , m - сталий коефіцієнт. Недоліком найближчого аналога є те, що забезпечувана ним міра поліпшення якості звуку обмежена якістю звуку еталонного звуковідтворюючого пристрою. Для забезпечення максимальної якості звуку у відомому способі потрібна наявність ідеального еталонного звуковідтворюючого пристрою. Подібні пристрої на даний момент часу не існують. Усі реальні високоякісні звуковідтворюючі пристрої вносять в звук визначене, властиве тільки ним забарвлення 1 UA 72175 U 5 10 звучання, відмінне від нейтрального, заважаючи слухачам почути музичний звукозапис в тому вигляді, в якому він створювався. Використання таких пристроїв як еталонних може призводити до перенесення властивого їм забарвлення звучання на звуковідтворюючі пристрої, що коригуються. В основу корисної моделі поставлена задача створення способу корекції звуковідтворюючих пристроїв, який забезпечить якісне (мінімально забарвлене) звучання цих пристроїв без використання еталонного звуковідтворюючого пристрою, зберігши при цьому достоїнства найближчого аналога: високе відношення сигнал/шум, високий к.к.д. звуковідтворюючого пристрою, низьке енергоспоживання підсилювача звукових частот, малий рівень нелінійних спотворень, малу нестабільність характеристик звуковідтворюючого пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що в способі корекції звуковідтворюючих пристроїв, при якому звуковий сигнал, що подається на звуковідтворюючий пристрій, пропускають через фільтр с амплітудно-частотною характеристикою, заданою вираженням: , 1 при mKE ( f )  K T ( f ) P( f )   mKE ( f ) / K T ( f ), при mKE ( f )  K T ( f ) ,  15 де P(f ) - амплітудно-частотна характеристика фільтру, KT (f ) -амплітудно-частотна характеристика звуковідтворюючого пристрою, що коригується, m - сталий коефіцієнт, функцію KE (f ) задають відповідно до вираження: KE ( f )  (10 f / f MAX )k , 20 25 де fMAX - максимальна частота звукового діапазону, k - сталий коефіцієнт, що вибирається в інтервалі 0  k   . Використання нового способу забезпечує високу якість звуку за рахунок застосування моделі ідеального звуковідтворюючого пристрою, при цьому зберігаються властиві найближчого аналога: високий к.к.д. звуковідтворюючого пристрою, низьке енергоспоживання підсилювача звукових частот, малий рівень нелінійних спотворень і мала нестабільність характеристик звуковідтворюючого пристрою. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де на Фіг. 1 пунктирними лініями зображені амплітудно-частотні характеристики KE (f ) моделі ідеального звуковідтворюючого пристрою для трьох різних коефіцієнтів k , що задовольняють умові k1  k2  k3 . На Фіг. 2 суцільною лінією показаний приклад графіку амплітудно-частотної характеристики KT (f ) звуковідтворюючого 30 пристрою, що коригується, а пунктирною лінією графік функції mKE (f ) . На Фіг. 3 показаний результуючий графік P(f )KT (f ) амплітудно-частотної характеристики звукового тракту. 45 Функція KE (f ) являється математичною моделлю ідеального звуковідтворюючого пристрою. Частотний спектр звуків, що створюються об'єктами реального фізичного світу не є постійним в різних точках простору. Як правило, чим більше відстань між об'єктом, що створює звук, і точкою виміру, тим меншими по амплітуді є високочастотні спектральні складові звуку. Зменшенню амплітуд високочастотних спектральних складових сприяють різні причини, одною з яких є більш високе поглинання енергії високочастотних коливань звуку, що відбивається від поверхонь багатьох реальних фізичних об'єктів. Людський слух адаптований до умов реального фізичного світу, тому звук, що створюється звуковідтворюючими пристроями, частотна характеристика яких вибрана некоректно, може сприйматися як неприродний. У зв'язку з цим, при корекції звуковідтворюючих пристроїв, розташованих на відносно невеликій відстані від слухача (найбільшою мірою це стосується навушників і в декілька меншої - гучномовців), потрібно зменшення високочастотних спектральних складових звуку. Необхідна ступінь зменшення високочастотних спектральних складових залежить від ряду чинників, у тому числі від відстані між звуковідтворюючим пристроєм і органами слуху слухача. 50 ) Функція KE ( f )  (10 дозволяє задавати різні ступені зменшення високочастотних спектральних складових за допомогою вибору необхідного коефіцієнта k . Так, наприклад, якщо необхідне зменшення високочастотних складових на максимальній частоті звукового діапазону складає N дБ, то коефіцієнт k має бути заданий як N/20. Зі збільшенням коефіцієнта к збільшується ступінь зменшення високочастотних спектральних складових, як це видно з Фіг. 1. 35 40  f / f max k Використання моделі KE (f ) ідеального звуковідтворюючого пристрою дозволяє робити коригування звуковідтворюючих пристроїв без використання еталонного звуковідтворюючого 2 UA 72175 U пристрою. В результаті виключається перенесення неминучих недоліків частотної характеристики реального еталонного звуковідтворюючого пристрою на частотну характеристику реального звуковідтворюючого пристрою. Таким чином досягається висока якість звуку відкоригованого звуковідтворюючого пристрою. 5 10 15 20 Частотна характеристика KT (f ) звуковідтворюючого пристрою, що коригується, може вимірюватися як в одній фіксованій точці простору, так і у багатьох точках простору (з подальшим приведенням усіх виміряних частотних характеристик до однієї частотної характеристики за допомогою різного роду математичних алгоритмів). Частотна характеристика реальних звуковідтворюючих пристроїв може містити глибокі провали. На Фіг.2 суцільною лінією показаний приклад частотної характеристики, що містить глибокий провал в області частоти 2000 Гц. Компенсація таких провалів не завжди являється оптимальним рішенням, оскільки при цьому збільшується електрична потужність, що підводиться до звуковідтворюючого пристрою, що, у свою чергу, може призводити до збільшення нелінійних спотворень, погіршення к.к.д. звуковідтворюючого пристрою, погіршенню відношення сигнал/шум, більш високому енергоспоживанню підсилювача звукових частот і нестабільності характеристик звуковідтворюючого пристрою. Підвищення рівня нелінійних спотворень в окремих випадках може бути таким високим, що повна компенсація глибоких провалів частотної характеристики може призводити до погіршення якості звуку, усупереч видимому поліпшенню частотної характеристики. Коефіцієнт m , що входить у функцію P(f ) , служить для завдання оптимальної міри компенсації неідеальностей частотних характеристик звуковідтворюючих пристроїв, що відповідає максимальній якості суб'єктивно сприйманого звуку. Зміна значення коефіцієнта m призводить до зміщення графіку функції mKE (f ) у напрямі вертикальної осі графіку (див. Фіг. 2). Область частотної характеристики KT (f ) , що лежить вище 25 за криву mKE (f ) , відсікається. В результаті досягається наближення форми результуючої частотної характеристики P(f )KT (f ) звукового тракту до форми частотної характеристики моделі KE (f ) ідеального звуковідтворюючого пристрою (див. Фіг. 3). 30 35 40 45 50 55 Оптимальне значення коефіцієнта т у кожному конкретному випадку може визначатися, наприклад, експериментально. Занадто високе значення коефіцієнта т може призводити до недостатнього поліпшення частотної характеристики звукового тракту, а занадто мале значення коефіцієнта т може призводити до перевантаження звуковідтворюючого пристрою і, відповідно, до появи помітних на слух нелінійних спотворень. Для реалізації даного способу частотної корекції звуковідтворюючих пристроїв може використовуватися довільний спосіб виміру амплітудно-частотної характеристики KT (f ) . Наприклад, вимір частотних характеристик може проводитися шляхом подачі на звуковідтворюючий пристрій синусоїдальних або шумових сигналів, з подальшим виміром цих сигналів за допомогою мікрофона і подальшою комп'ютерною обробкою. Комп'ютерна обробка може включати, наприклад, обчислення інтеграла Фур'є й згладжування результуючої амплітудно-частотної характеристики. Фільтр із амплітудно-частотною характеристикою P(f ) може бути реалізований, зокрема, як цифровий фільтр. Такий цифровий фільтр може бути, наприклад окремим пристроєм, який включає АЦП, цифровий обчислювальний пристрій і ЦАП. Даний фільтр також може бути реалізований у виді комп'ютерної програми. Цифровий фільтр із заданою частотною характеристикою може бути синтезований автоматично, за допомогою комп'ютерної програми або спеціалізованого обчислювального пристрою. Для цього може використовуватися один із відомих алгоритмів розрахунку цифрових фільтрів з довільними амплітудно-частотними характеристиками, що описані, наприклад в [3]. Конструктивне розташування гучномовців у таких пристроях як телевізори, радіоприймачі, мобільні і провідні телефони, автомобільні аудіопристрої і т.п. у переважній більшості випадків не являється оптимальним з точки зору їхнього звучання. Вплив пластикових корпусів подібних пристроїв і їх внутрішніх деталей приводить до неприродного забарвлення звучання. Використання цієї корисної моделі в таких пристроях дозволяє значно зменшити неприродне забарвлення звучання цих пристроїв і зробити звук цих пристроїв максимально незабарвленим. Незабарвлене звучання звуковідтворюючих пристроїв дозволяє донести до слухачів музичні звукозаписи в тому вигляді, в якому вони створювалися. 3 UA 72175 U 5 10 Реалізація цієї корисної моделі у вигляді програми для персонального комп'ютера дозволить користувачам комп'ютерів надати наявним у них гучномовцям і навушникам якісний незабарвлений характер звучання. Джерела інформації: [1] М. Karjalainen, E. Piirila, and A. Jarvinen, "Loudspeaker response equalization using warped digital filters, " Proc. of IEEE Nordic Signal Processing Symposium: Espoo, Finland, September 24-27, 1996, pp. 367-370. [2] Патент України № 57666, МПК H03G 5/00, Спосіб частотної корекції звуковідтворюючих пристроїв / С.А. Чекчеєв. - Опубл. 10.03.2011, Бюл. № 5. [3] Л.Рабинер, Б.Гоулд, Теория и применение цифровой обработки сигналов. -М.: Мир, 1978.-848 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 Спосіб корекції звуковідтворюючих пристроїв, при якому звуковий сигнал, що подається на звуковідтворюючий пристрій, пропускають через фільтр з амплітудно-частотною характеристикою, заданою виразом: , 1 при mKE ( f )  K T ( f ) , P( f )   mKE ( f ) / K T ( f ), при mKE ( f )  K T ( f )  де P(f ) - амплітудно-частотна характеристика 20 фільтра, K T (f ) - амплітудно-частотна характеристика звуковідтворюючого пристрою, що коригується, m- сталий коефіцієнт, який відрізняється тим, що функцію KE (f ) задають відповідно до виразу: KE ( f )  (10 f / f MAX )k , де fmax - максимальна частота звукового діапазону, k - сталий коефіцієнт, що вибирається в інтервалі 0  k   . 4 UA 72175 U Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5