СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЗВУКОВОГО ПОЛЯ В ЗАЛЕ ПРОСЛУШИВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G10K11/00 

Изобретение относится к способу и электроакустической системе для обработки звука, излученного одним или более источником звука в комнате прослушивания, посредством записи указанного звука посредством некоторого количества микрофонов, сигналы S которых обрабатываются в процессоре соответственно матричному соотношению = T, где Р представляет собой обработанные сигналы, выдаваемые процессором на некоторое количество громкоговорителей, расположенных по комнате прослушивания, и где Т представляет собой следующие матрицы передачи:
T где M и N количество микрофонных сигналов и сигналов громкоговорителей соответственно.

Этот способ основан на том, что всякая линейная передача, посредством которой звук воспринимается микрофонами S и после обработки излучается громкоговорителями Р, может быть представлена вышеприведенным матричным соотношением T.

В зависимости от положения микрофонов представляет собой прямой звук, отраженный звук, или тот и другой.

В зависимости от назначения электроакустической системы представляет собой прямой звук, отраженный звук, или тот и другой.

Работа электроакустической системы определяется выбором элементов матрицы передачи Т.

Полная развертка соотношения T дает в результате:
где S₁, S_1,2.S_М определяют микрофонные сигналы, которые представляют прямой звук или реверберационный звук, или оба, а Р₁, Р₂.Р_N определяют сигналы громкоговорителей, которые представляют желаемый выходной звук.

Количество микрофонных сигналов может быть равным вследствие того, что они выдаются одним и тем же микрофоном. Подробным же образом несколько сигналов громкоговорителя могут подводиться к одному и тому же громкоговорителю.

Свойства системы определяются коэффициентом передачи:
Т_nm(ω) A_nm(ω) e^-jωτnm, где τ_nm задержка между микрофоном m и громкоговорителем n;
А_nm(ω) зависящее от частоты усиление (или ослабление) между микрофоном m и громкоговорителем n.

Электроакустические системы, реализующие данный способ, основаны на лучевой теории, что обозначает, что желаемая последовательность отражений может быть оптимально спроектирована только для одного специфичного источника и одного положения приема. В результате решения, воплощенные в этих системах, в принципе правильны лишь в малой площади размещения слушателей. Более того, если положение источника меняется, коэффициент τ_nm должен регулироваться (n 1,2,N).

Цель изобретения улучшение результатов озвучивания в реальном помещении за счет оптимизации передаточной функции.

Цель достигается за счет того, что набор микрофонов устанавливают для восприятия волнового поля прямого звука от всех источников на сцене, а элементы матрицы Т выбирают в виде функции Грина в интеграле Кирхгофа:
T_nm(ω)= cos ϕ H(1

²⁾(kr_nm) для двух измерений и
T_nm(ω)= cos для трех измерений, где r _nm расстояние между микрофоном m и громкоговорителем n, после которого обработка для набора громкоговорителей при правильном размещении громкоговорителей создаст волновое поле, которое приближается к естественному звуковому полю в акустически идеальном зале.

Подобным же образом, соответственно еще одному признаку изобретения, поля звуковых волн которых (добавочно) основаны на (очень) ранних и/или поздних отражениях (реверберирующий звук), могут имитироваться (добавочной) обработкой принятых прямых звуковых сигналов по матричному соотношению:
T где мнимые источники в акустически желаемом мнимом зале (i, j, k);
T_ijk основанная на интеграле Кирхгофа матрица передачи мнимых источников в мнимом зале к громкоговорителям в реальной комнате прослушивания,
и где для мнимых источников справедлива зависимость:
= (1-α_ijk) где α_ijk поглощение после (i+j+k)-отражений.

Для имитации поля прямого звука нужно принимать во внимание действительное положение каждого микрофона, тогда как для имитации полей отраженных волн нужно принимать во внимание зеркальные изображения положений микрофонов в акустически желаемом зале.

Электроакустическая система по изобретению позволяет регулировать акустические условия во многофункциональных залах соответственно специфическому использованию, тогда как архитектору предоставляется возможно большая свобода. Система по изобретению расширяет возможности как для архитектора, так и для акустика. Акустик определяет узор отражений нулевого, первого и выше порядков, которые осуществляли бы в воображаемом зале и который был бы идеальным для определенного использования. Эти желаемые естественные пространственные узоры отражений генерируются конфигурацией микрофонов и громкоговорителей в существующем помещении. Посредством системы по изобретению создается ситуация, заключающаяся в том, что зал, спроектированный архитектором, акустически преобразуется до идеального зала по выбору акустика. Изменяя акустические параметры, такие как объем, форму и поглощение фиктивного зала, можно изменять акустические условия в реальном помещении естественным образом.

Вследствие того, что система по изобретению не основана на акустической обратной связи, время реверберации может быть существенно увеличено без опасности искажений, в то время как уровень реверберации может быть изменен независимо от времени реверберации. Кроме того, могут быть добавочно усилены боковые отражения и прямое поле может быть значительно усилено без ошибок, связанных с местоположением.

При использовании системы по изобретению акустическая обратная связь сохраняется минимальной за счет восприятия прямого звука и размещения микрофонов около области источника, например на сцене.

Акустическая обратная связь может быть уменьшена путем использования направленных микрофонов и использования направленных громкоговорителей, особенно направленных на слушателей, а также применения изменяемых во времени элементов процессоров. Кроме того, акустический шум может быть уменьшен за счет размещения одного или нескольких микрофонов рядом с источником акустического шума посредством подачи микрофонных сигналов к громкоговорителям через многоканальный антишумовой фильтр и выбора коэффициентов антишумового фильтра такими, что акустический шум компенсируется у громкоговорителей.

Большим преимуществом системы по изобретению является то, что возможна настройка из помещения, в результате чего любое желаемое звуковое поле может быть достигнуто почти полностью.

Электроакустическая система реализуется с помощью следующего анализа акустических условий в реальном помещении; задания желаемых акустических условий в случае многофункционального помещения желаемых изменений относительно опорного акустического состояния; определения числа и местоположения микрофонов и громкоговорителей; построения и предварительного программирования системы; установки системы; настройки системы для получения опорного акустического состояния "калибровки"); варьирования параметров системы так, что, исходя из опорного состояния акустики, получают набор предпочтительных начальных установок в соответствии с различными целями ("от опорного до предпочтительного"); регистрации предпочтительных начальных установок в памяти процессора, откуда они могут быть запрошены через клавиатуру.

С помощью системы можно варьировать следующие параметры системы для получения предпочтительных начальных установок: времени реверберации в частотных диапазонах с центральными частотами в звуковой области; уровни звукового давления в этих частотных диапазонах; масштабный коэффициент полной характеристики реверберации; входное усиление всех микрофонов; выходное усиление всех громкоговорителей. Каждый из параметров может варьироваться ступеньками.

Настройка системы может осуществляться быстрым и простым образом и всякое объективное и субъективное требование может быть удовлетворено.

Система состоит из трех частей: воспринимающей подсистемы, включающей микрофоны с шумоподавляющими предварительными усилителями и эквалайзерами; центрального процессора, включающего блоки имитации отражений; воспроизводящей подсистемы, включающей громкоговорители с неискажающими оконечными усилителями.

Центральный процессор представляет собой матрицу передачи Т. В центральном процессоре каждый блок имитации отражения обрабатывает взвешенный и задержанный сигнал между каждым микрофоном и громкоговорителем. Различные блоки имитации отражения соединены внутри. Необходимое количество блоков зависит от размеров и формы помещения и необходимого максимального времени реверберации.

Система по изобретению может состоять из любой комбинации четырех независимых модулей, а именно зального модуля, сценического модуля, речевого модуля и театрального.

Функции различных модулей следующие.

Зальный модуль. Посредством этого модуля может быть реализовано желаемое поле реверберации с тенденцией к максимальному "простору". В залах с глубокими балконами часто оказывается необходимым использование нескольких реверберационных модулей. Ранние отражения могут быть дополнительно усилены или поздние отражения могут быть дополнительно ослаблены, чтобы улучшить "разборчивость" музыки. Посредством предлагаемой системы можно достичь того, что звук будет замирать с разными скоростями, например сначала быстро, а затем медленно.

Сценический модуль. Посредством этого модуля могут быть реализованы ранние отражения, желательные на сцене, создавая при этом оптимальное совместное действие условий для музыкантов ансамбля.

Речевой модуль. Этот модуль поддерживает речь, причем используются один или несколько речевых микрофонов (используемых для ГГС). Посредством речевого модуля поле прямого звука (нулевой порядок отражений) может быть воссоздано в любом месте помещения с сохранением правильной локализации и в каждом частотном диапазоне с любым желаемым уровнем.

Театральный модуль. Этот модуль поддерживает речь посредством добавления ранних отражений без использования речевых микрофонов. Реконструкция (воспроизведение) производится так же, как и в речевом модуле.

На фиг. 1 показано представление различных путей подхода архитектора и акустика к помещению; на фиг. 2 принцип системы по изобретению с показом только одной пары микрофон-громкоговоритель; на фиг.3 схематическое изображение волнового поля звука, воспринимаемого набором микрофонов, и волнового поля звука, воспроизведенного посредством процессора и набора громкоговорителей; на фиг. 4 блок-схема системы по фиг.2; на фиг.5 состав частей системы по изобретению; на фиг.6 схематическое представление блока имитации отражений по изобретению; на фиг.7 центральный процессор системы по изобретению; на фиг. 8 имитация посредством мнимых источников; на фиг.9 влияние изменения количества параметров системы на тонкую настройку; на фиг.10 показано несколько времен реверберации актового вала Дельфтского университета; на фиг.11 несколько времен реверберации Йоркского университета в Торонто; на фиг. 2 несколько кривых замирания актового зала Дельфтского университета; на фиг.13 несколько кривых замирания в Йоркском университете в Торонто.

На фиг.1 показано, как архитектор 1 приходит к какой-то форме помещения или зала 2. Акустик 3 приходит, со своей точки зрения, к совершенно другой форме зала 4, которая основана на акустических принципах. На практике оптимальное взаимодействие между архитектором 1 и акустиком 3 приведет в лучшем случае к акустическому компромиссу.

На фиг.2 для одной пары микрофон-громкоговоритель показан принцип данного изобретения. В реальном архитектурном помещении или зале 5 звуковое поле воспринимается на сцене 6 и передается к импульсному источнику 7 в воображаемом идеальном зале, который определен в процессоре 8 (фиг.3).

В идеальном зале звук с реверберацией. Затем это поле реверберирующего звука воспринимается приемниками, такими как приемник 9, и передается к соответствующему месту в реальном архитектурном помещении 5 посредством громкоговорителей, например громкоговорителя 10. Источник 7 в желаемом зале 11 имеет такое же положение, что и микрофон 6 в реальном помещении 5. Приемник 9 в желаемом зале 11 имеет то же положение, что и громкоговоритель 10 в реальном зале 5. Таким образом, акустически идеальный зал может быть сконструирован в реальном зале. Предлагаемая акустическая система работает с двумя залами реальным и воображаемым.

Указанная пара микрофон-громкоговоритель (фиг.2) служит лишь для иллюстрации действия перехода или обработки, которая производится между микрофоном и громкоговорителем через воспроизведение, и выбора составляющие в воображаемом зале. На самом деле тип передачи, к которому стремятся в изобретении, требует густой сети микрофонов и громкоговорителей, так что можно создать волновое поле как на входе, так и на выходе. Оказалось, что посредством линейных наборов громкоговорителей на боковых стенках и потолках с зазором между ними порядка 2 м можно получить очень хорошие результаты.

Фиг.3 иллюстрирует измерение давления звука распространяющегося волнового поля набором микрофонов, расположенных в плоскости х х₁. В обобщенной версии акустической голографии измеренные микрофонные сигналы подаются на процессор, который вызывает распространение (экстраполяцию) в другую плоскость, например х х₂, причем цифровым методом. По фиг.3 легко понять, что измеренный результат в плоскости х х₁ может быть в качестве промежуточного этапа запомнен, например, на М-дорожечной магнитной ленте или другом элементе памяти, который можно проиграть через процессор в любой желаемый момент времени.

Фиг.4 показывает систему по изобретению в виде блок-схемы для одной пары микрофон-громкоговоритель. Процессор 8 может работать в аналоговом или цифровом режиме. Процессор 8 содержит имитатор 12 отражений и блок 13 свертки для обработки свертки. Если r_mn(t) представляет импульсную переходную функцию в положении приемника n от импульсного источника m, то знак "+" вверху обозначает, что рассматриваются только волны, отраженные от стены, желаемые узоры отражения в положении n у реальной стены определяются сверткой:
P_nm(t) S_n(t)* r_nm(t), где S_m(t) микрофонный сигнал прямого звука в положении m.

В реальном зале 5 часть ответа Рmn попадет обратно в микрофон m.

Если нельзя пренебречь указанной обратной связью между громкоговорителем n и микрофоном m, то свертку S_m(t) r_mn(t) приходится заменять на свертку S_m(t) r'_nm(t), где в частотной области (ω):
R_mn(ω) а G_mn(ω) определяет переходную функцию, относящуюся к обратной связи между громкоговорителем n и микрофоном m в реальном помещении.

Необходимо отметить принципиальное различие между R_mn(ω) и G_mn(ω):
R_mn(ω) является имитационной переходной функцией в желаемом зале. G_nm(ω) является измеренной переходной функцией в реальном помещении.

В системе по изобретению явление обратной связи (количественно описываемом G_nm) может быть сведено к минимуму, а именно к G_nm(ω) R_mn(ω)<<1 для всех m и n, принятием следующих мер: громкоговорители направляют свое излучение на поглощающую площадь, насколько это возможно; микрофоны имеют максимальную чувствительность в направлении к источнику и не имеют чувствительности в противоположном направлении (G_nm ->> G_nm⁺); микрофоны установлены вблизи источника, где прямой звук доминирует над реверберационным уровнем звука; параметры желаемой импульсной характеристики R_mn(ω) делаются переменными во времени.

Поэтому в системе по изобретению ставят целью реализацию:
R'_mn(ω) ≈ R_mn(ω).

В случае, если в реальном помещении присутствует источник шума, может быть применена компенсационная схема, содержащая шумоподавляющий фильтр соответственно выражению:
F_en(ω) -G_en(ω) G_em(ω) R'_mn(ω), где l положение микрофона по соседству с источником шума, например вентиляционным отверстием.

На фиг. 5 показан ход информации в виде диаграммы. В системе по данному изобретению волновое поле источника воспринимается сетью микрофонов 14. После этого желаемый узор отражений, принадлежащий воображаемому залу 11, имитируется центральным процессором Т. Указанный узор отражений затем переносится в реальный зал 5 посредством сети громкоговорителей 15.

На фиг.5 (так же, как и на фиг.7) следует различать три ступени: восприятие; экстраполяция; реконструкция (воспроизведение).

Подсистема восприятия измеряет поле прямого звука с помощью набора высококачественных широкополосных микрофонов по соседству со сценой. Микрофонные сигналы усиливаются, при желании эквализируются и подаются на подсистему экстраполяции.

Подсистема экстраполяции состоит из некоторого количества блоков имитации отражений. В зависимости от максимального требования Т₆₀ и размеров зала могут потребоваться многие блоки имитации отражений, чтобы получить необходимые отражения высокого порядка в R_mn(t).

Подсистема реконструкции (воспроизведения) передает имитируемые отражения обратно в зал посредством набора высококачественных широкополосных громкоговорителей, распределенных по поверхностям всего зала. В любом месте зала "хвост" отражений создается не одним громкоговорителем, а синтезируется из составляющих всех громкоговорителей.

Фиг. 6 показывает схематическую конфигурацию блока 12 имитации отражений (нулевого порядка для речи, первого и высших порядков для реверберации). Коэффициент определяются описанным выше образом.

На фиг.7 схематически показано устройство электроакустической системы по изобретению. Центральный процессор Т содержит некоторое количество блоков 12 имитации отражений. Каждый блок имитации отражений определяется передаточной функцией между М источниками 16 и N громкоговорителями 17 для определенного порядка отражения.

Если М входных сигналов подсистемы экстраполяции на фиг.5 или 7 представлены входным фактором S (источник), а М выходных сигналов представлены выходным фактором Р (давление), то зависимость между входом и выходом может быть представлена матрицей передачи Т (переход) следующим образом:
T.

В системе матрица передачи Т спроектирована на полосу октавы и состоит таким образом из некоторого количества подматриц Т_ijk, где i количество отражений от боковых стенок; j количество отражений от передней и задней стенок; k количество отражений от потолка и пола.

Фактор источника состоит из некоторого количества подфакторов S_ijk.

Фиг.8 показывает имитацию желаемого поля реверберации посредством подхода воображаемых источников. Каждый имитирующий блок представляет собой функцию передачи между источниками в воображаемой версии воображаемого зала и громкоговорителями в реальном зале.

Т_ijk, таким образом, представляет переходную функцию между М источниками в воображаемом (i, j, k) зале и соответствующими громкоговорителями в реальном зале. Если пол считают полностью поглощающим, то k 0 или 1. Если задняя стенка считается полностью поглощающей, то j 0 или 1. Для управления прямым звуком i 0, j 0 и k 0 (фиг.6).

После установки системы можно начинать процедуру тонкой настройки. Сначала определяется опорная установка проведением взаимных измерений, чтобы величины Т₆₀ и уровни звукового давления соответствовали требованиям. Опорная установка может быть выбрана такой, чтобы при включении системы величины времени реверберации в октавных диапазонах, измеренные в зале, соответствовали величинам в Амстердамском концертном зале, с уровнем звукового давления реверберации и связанным с ними временами, соответствующими законам физики. Следует стремиться к соответствующим отношениям между ранней и поздней и боковой и фронтальной энергиями.

Исходя из опорной установки, которая запомнена в памяти процессора системы, можно регулировать предпочтительные регулировки для мгновенных многоцелевых требований или субъективных альтернатив посредством изменения 19 параметров тонкой настройки: 1-8: индивидуальные величины времени реверберации в 8-октавных полосах от 63 до 8 кГц; 9-16: индивидуальные уровни давления в тех же октавных полосах; 17 масштабный фактор для всех времен реверберации; 18 входное усиление всех микрофонов; 19 выходное усиление всех громкоговорителей.

На фиг.10 и 11 показаны некоторые времена реверберации, которые относятся к аудитории Дельфтского университета и Йоркского университета в Торонто соответственно, без системы и с системой по данному изобретению.

Фиг. 12 и 13 показывают некоторые кривые замирания, относящиеся к аудитории Дельфтского университета (одиночное замирание) и Йоркского университета (двойное замирание) соответственно для 500 Гц. Можно реализовать очень малую скорость затухания без малейших тенденций к искажению тембра. Оказалось, что установки с весьма большими ранними отражениями (или сравнительно слабыми поздними отражениями) создают отличную разборчивость, даже с временами реверберации, достигающими 4 с.

Использование: в акустике помещений. Сущность изобретения: способ формирования звукового поля в зале прослушивания заключается в приеме звуковых сигналов и их преобразовании в электрические с помощью набора микрофонов, обработке электрических сигналов в процессе и подаче обработанных сигналов на громкоговорители. При этом звуковые сигналы обрабатывают в процессоре в соответствии с матричным соотношением, приведенным в описании. Набор микрофонов устанавливают на сцене в поле прямого звука от всех громкоговорителей, а элементы матрицы выбирают в виде функции Грина в интеграле Корхгофа. Описано также устройство, реализующее данный способ. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Способ формирования звукового поля в зале прослушивания, заключающийся в приеме звуковых сигналов и их преобразовании в электрические с помощью набора микрофонов, обработке электрических сигналов S в процессоре и подаче обработанных сигналов P на громкоговорители, при этом звуковые сигналы обрабатывают в процессоре в соответствии с матричным соотношением где T является матрицей передачи и имеет вид

где М и N соответственно количество микрофонов и громкоговорителей,
отличающийся тем, что набор микрофонов устанавливают на сцене в поле прямого звука от всех громкоговорителей, а элементы матрицы Т_nm выбирают в виде функции Грина в интеграле Кирхгофа

для двух измерений;

для трех измерений,
где r_nm расстояние между микрофоном m и громкоговорителем n
ω частота;
v фазовый угол;
H(1

²⁾ функция Ханкеля второго рода первого порядка;
j, k количество отражений соответственно от передней, задней стенок и пола, потолка зала. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поле реверберационного звука моделируют путем обработки в процессоре сигналов прямого звука в соответствии с матричной зависимостью

где сигналы имитируемых источников звука в имитируемом зале;
Т_ijk матрица передачи сигналов от имитируемых источников звука в имитируемом зале к громкоговорителям в зале прослушивания;
i количество отражений от боковых стенок зала,
причем сигналы имитируемых источников выражают соотношением

где α общее поглощение звука после (i+j+k) отражений. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что сигналы с микрофонов хранят в записывающем устройстве до момента подачи их в процессор. 4. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что с помощью процессора изменяют функцию передачи между микрофоном и громкоговорителем в соответствии с соотношением

где R_mn имитационная функция передачи в имитируемом зале;
G_nm функция передачи зала прослушивания. 5. Устройство для формирования звукового поля в зале прослушивания, содержащее набор микрофонов, соединенных с процессором, выходы которого соединены с набором громкоговорителей, разнесенных по залу прослушивания, причем процессор выполнен на основе матричной передачи между сигналами микрофонов S и сигналами громкоговорителей P с матрицей передачи T в виде

где M и N соответственно количество микрофонов и громкоговорителей,
отличающейся тем, что набор микрофонов расположен на сцене в поле прямого звука от всех громкоговорителей, а элементы матрицы Т_nm выбраны в виде функции Грина в интеграле Кирхгофа:

для двух измерений;

для трех измерений,
где r_nm расстояние между микрофоном m и громкоговорителем n
ω частота;
v фазовый угол;
H(1²⁾ функция Ханкеля второго рода первого порядка;
j, k количество отражений соответственно от передней, задней стенок и пола, потолка зала.