ЗВУКОВОСПРОИЗВОДЯЩАЯ СТЕРЕОСИСТЕМА Российский патент 1995 года по МПК H04S3/00 

Изобретение относится к звукотехнике, а именно к стереосистемам улучшенного качества, использующимся в стационарной и автомобильной аппаратуре.

Известны звуковоспроизводящие стереосистемы, в которых улучшение качества звучания достигается за счет улучшения воспроизведения низких частот, что достигается включением дополнительных низкочастотных громкоговорителей, установленных в один большой корпус ("Высококачественная стереофоническая акустическая система Радио, N 9, 1970, с. 59; Бутенко А. Трехполосная акустическая система Радио, N 5, 1960, с. 32).

Известные системы получили широкое распространение и по сути одинаковы. Основные излучатели (которые могут содержать как один широкополосный громкоговоритель, так и несколько узкополосных громкоговорителей) и дополнительный низкочастотный излучатель, содержат, как правило, два низкочастотных громкоговорителя, подключенных к выходу двухканального усилителя мощности через дополнительный сильноточный разделительный фильтр кроссовер, с помощью которого низкие частоты с выходов усилителя подаются на низкочастотные громкоговорители низкочастотного излучателя, а средние и высокие частоты подаются на основные излучатели.

Недостатки системы такого типа следующие.

Сильноточные разделительные фильтры содержат трудоемкие в изготовлении намоточные изделия катушки индуктивности.

Перестройка частоты раздела практически невозможна, так как по крайней мере намоточные изделия становятся в этом случае еще более трудоемкими и дорогими.

Практически невозможно подключение низкочастотного излучателя, содержащего один низкочастотный громкоговоритель с одной обмоткой.

Улучшение звучания системы достигается только за счет несоответствия полосы усилительных частот двухканальным усилителем и полосы воспроизводимых частот основными излучателями, т.е. качество усилителя превышает качество основных излучателей.

Стереосистемы, описанные в статье Н.Трошина "Громкоговоритель с ЭМОС" Радио, N 8, 1989, с. 51-56 и проспекте фирмы Bose Acoustic wave cannon system не имеют почти всех этих недостатков. В этих системах разделительный фильтр кроссовер выполнен активным и включается между источником звуковых сигналов, имеющим только слаботочный выход, и трехканальным усилителем мощности. Система позволяет избавиться от намоточных узлов. Низкочастотный излучатель может содержать один низкочастотный громкоговоритель. Улучшение звучания по сравнению с обычной двухканальной стереосистемой достигается за счет оптимизации полосы усиливаемых и воспроизводимых частот в двух основных и дополнительном низкочастотных каналах, а также за счет сбалансированной мощности каналов. Техническое решение кроссоверов в этих системах не позволяет выполнять оперативную перестройку частоты раздела для того, чтобы оптимизировать параметры каналов при подключении основных и дополнительного излучателей различных моделей в зависимости от спектрального состава звуковых программ, поступающих с выхода источника звуковых сигналов. Этот недостаток устранен в [1]
В устройстве [1] формирование средневысокочастотных сигналов воспроизведения происходит с помощью фильтров низких частот и вычитателей. Поэтому достаточно перестроить частоту среза фильтров низких частот для перестраивания частоты раздела кроссовера.

Основной существенный недостаток этих систем заключается в том, что, если источник звуковых сигналов содержит собственный двухканальный усилитель мощности, то использование этого усилителя без использования дополнительных входов и выходов его невозможно. Действительно, источником звуковых сигналов может быть радиоприемник, магнитола или музыкальный центр, имеющие в своем составе двухканальный усилитель мощности. Никакими дополнительными линейными выходами или входами такие устройства не снабжаются, поэтому выходы звуковых сигналов предназначены для подключения громкоговорителей.

Из известных решений по технической сущности наиболее близким является устройство [2] взятое за прототип.

Звуковоспроизводящая стереосистема содержит основные излучатели левого и правого каналов, подключенные к выходам основного усилителя левого и правого каналов. К этим же выходам подключены фильтры и аттенюаторы, к которым через дополнительный двухканальный усилитель подключен дополнительный низкочастотный излучатель, содержащий один низкочастотный громкоговоритель, входы основных излучателей и аттенюаторов имеют положительный и отрицательный выводы. При подключении полярность соблюдается.

В стереосистеме улучшение воспроизведения низких частот достигается только за счет одновременной работы на этот диапазон основных и дополнительного излучателей. Но отдача системы в целом во всем звуковом диапазоне частот ограничена интермодуляционными и нелинейными искажениями, возникающими при воспроизведении всего звукового диапазона основными излучателями, которые, в свою очередь, часто выполняются малогабаритными с нижней граничной воспроизводимой частотой около 100 Гц. Это становится наглядным, если принять во внимание особенности слухового восприятия, а именно при одинаковой интенсивности излучаемых стереосистемой звуковых сигналов различной частоты субъективное восприятие слухом интенсивности различно, т.е. на разных частотах одинаковую громкость могут иметь звуки разной интенсивности. Например, для того, чтобы громкость синусоидальных звуковых сигналов с частотами 100 и 1000 Гц была одинаковой при интенсивности излучения, равной 50 лБ, необходимо иметь интенсивность излучения на 100 Гц, равную 67 дБ (Иофе В.К. и др. Справочник по акустике. М. Связь, 1979, с. 31). Тогда для выполнения этих требований основные излучатели и дополнительный излучатель должны обеспечивать интенсивность излучения на частоте 100 Гц по 64 дБ, что превышает уровень частоты 1000 Гц, излучаемой основными излучателями, более чем в 20 раз по мощности и почти в 10 раз по выходному напряжению основного усилителя, что, в свою очередь, приводит к появлению нелинейных искажений усилителя в области низких частот даже при небольшом уровне средних частот к большому уровню интермодуляционных искажений излучателей, на которые подаются частоты ниже воспроизводимых ими.

Особенно это проявляется в автомобильных системах, в которых выходное напряжение ограничено бортовым напряжением питания 12 В, а основные излучатели часто содержат по одному широкополосному малогабаритному громкоговорителю.

Предположим, что, во-первых, все акустические излучатели равноудалены от точки нахождения слушателя; во-вторых, приняты все меры для устранения нелинейных и интермодуляционных искажений в низкочастотном акустическом излучателе, а усилитель искажений не вносит; такое возможно, если введена положительная обратная связь по току (усилитель имеет отрицательное сопротивление или электромеханическую обратную связь с излучателями); в-третьих, выходное сопротивление источника звуковых сигналов практически равно нулю.

Обозначим сигналы, которые поступают на вход акустической системы: Л^э сигнал, поступающий на вход левого канала; П^э сигнал, поступающий на вход правого канала.

Тогда в точку прослушивания первым широкополосным излучателем будет излучаться сигнал
Л^А+Л_НИ^A+Л_ИН^A (1)
Вторым широкополосным излучателем будет излучаться сигнал в ту же точку прослушивания
П^А+П_НИ^A+П_ИН^A (2)
Низкочастотным излучателем сигнал
Л_НЧ^A+П_НЧ^A, (3) где Л^А и П^А левый и правый акустические сигналы, сформированные из электрических сигналов Л^э и П^э;
Л_нч^A и П_нч^A акустические сигналы, сформированные из электрических сигналов Л_нч^э и П_нч^э соответственно, которые, в свою очередь, сформированы путем фильтрации частот электрических сигналов Л^э и П^э;
Л_НИ^A и П_НИ^A акустические сигналы нелинейных искажений, возникающих в электромеханической системе широкополосных излучателей;
Л_ИН^A и П_ИН^A акустические сигналы интермодуляционных искажений, возникающих в электромеханической системе широкополосных излучателей.

Таким образом, в точке прослушивания в акустических сигналах Л^А и П^А всегда будет повышен уровень низких частот и будут сигналы искажений.

Цель разработка полуактивной стереофонической акустической системы с высоким качеством воспроизведения сигналов во всем диапазоне звуковых частот.

Цель достигается тем, что в известную полуактивную стереофоническую акустическую систему, содержащую первый и второй широкополосные акустические излучатели, последовательно соединенные усилитель и низкочастотный излучатель, последовательно соединенные первый фильтр высоких частот, вход которого является первым информационным входом системы, и первый аттенюатор, последовательно соединенные второй фильтр высоких частот, вход которого является вторым информационным входом системы, и второй аттенюатор, введены третий и четвертый аттенюаторы и сумматор, входы которого соединены с выходами первого, второго, третьего и четвертого аттенюаторов, выход сумматора подключен к входу усилителя, вход третьего аттенюатора соединен с первым информационным входом системы, второй информационный вход которой соединен с входом четвертого аттенюатора, входы первого и второго широкополосных акустических излучателей соединены с выходами соответственно первого и второго фильтров высоких частот.

Сравнение заявленного решения с прототипом показывает, что оно отличается от прототипа наличием новых узлов и новыми связями между узлами. Это дает право считать заявленное устройство соответствующим критерию изобретения "Новизна".

Изобретательский уровень предлагаемого устройства заключается в нетрадиционном методе решения поставленной задачи. Повышение качества звучания системы достигнуто за счет снижения интермодуляционных и нелинейных искажений.

Интермодуляционные искажения уменьшаются путем снижения уровня низкочастотных составляющих в электрических сигналах, подаваемых на вход широкополосных акустических излучателей, при одновременном повышении уровня этих частот в электрических сигналах, подаваемых на вход низкочастотного акустического излучателя, и обеспечение перестройки частоты раздела между полосами частот, воспроизводимыми широкополосными акустическими излучателями и низкочастотным излучателем, при сохранении исходных параметров сигналов в точке нахождения слушателя.

Нелинейные искажения уменьшаются путем выделения сигнала нелинейных искажений из низкополосных акустических излучателей и излучения их в противофазе низкочастотным акустическим излучателем в точку нахождения слушателя.

На чертеже показана схема предложенной звуковоспроизводящей стереосистемы.

Система содержит первый фильтр 1 высоких частот, первый акустический широкополосный излучатель 2, третий аттенюатор 3, первый аттенюатор 4, сумматор 5, усилитель 6, низкочастотный излучатель 7, четвертый аттенюатор 8, второй аттенюатор 9, второй фильтр 10 высоких частот и второй акустический широкополосный излучатель 11. Позициями 12 и 13 обозначены соответственно первый и второй информационные входы стереосистемы.

Акустические широкополосные излучатели 2, 11 подключены соответственно к первому и второму входам системы через фильтры 1 и 10 высоких частот. Входы фильтров 1 и 10 подключены соответственно к входам аттенюаторов 3 и 8. Выходы фильтров 1 и 10 подключены соответственно к входам аттенюаторов 9. Выходы всех аттенюаторов 3, 4, 8, 9 через сумматор 5 и усилитель 6 подключены к низкочастотному излучателю 7.

Звуковоспроизводящая стереосистема работает следующим образом. На входы 12 и 13 поступают сигналы Л^э и П^э электрические сигналы звуковых частот (Л левый, П правый). Источником электрических сигналов звуковых частот может быть автомобильная магнитола, если акустическая система будет использоваться в автомобиле, или домашний радиокомплекс, или любая другая подобная аппаратура, имеющая в своем составе стереофонический усилитель мощности.

Все сигналы, которые поступают на вход акустической системы и формируются узлами и блоками акустической системы, комплексные.

Сигнал Л^э с входа 12 поступает на вход фильтра 1 высоких частот, на выходе которого формируется электрический сигнал Л_вч^э. Сигнал П^э с входа 13 поступает на вход фильтра 10 высоких частот, на выходе которого формируется электрический сигнал П_вч^э.

С помощью аттенюаторов 3, 9, 4, 10 электрические сигналы Л^э и П^э, Л_вч^э и П_вч^э ослабляются на величину К для того, чтобы согласовать уровни электрических сигналов Л^э, П^э, Л_вч^э, П_вч^э с уровнем входных сигналов усилителя 6, имеющего коэффициент усиления α, значение которого должно соответствовать
α˙ k=1 (4)
Тогда уровень электрических сигналов на выходе усилителя 6 будет соответствовать уровню входных сигналов Л^э и П^э.

Входное сопротивление аттенюаторов 3, 8, 4, 9 должно быть хотя бы на порядок больше входного сопротивления широкополосных излучателей 2 и 11, чтобы не влиять на работу фильтров 1 и 10 высоких частот и широкополосных излучателей 2, 11.

Подключение к выходам фильтров 1 и 10 высоких частот приводит к наложению на электрические сигналы Л_вч^э и П_вч^э электрических сигналов нелинейных искажений Л_ни^э и П_ни^э соответственно.

При этом излучаются в точку нахождения слушателя акустические сигналы Л_вч^A+Л_ни^A (5), П_вч^A+П_ни^A (6). В этих выражениях отсутствуют сигналы, обусловленные интермодуляционными искажениями, так как, перестраивая частоту среза фильтров 1 и 10 высоких частот, исключается возникновение интермодуляционных искажений.

С помощью сумматора 5 и усилителя 6 формируются электрические сигналы, которые можно описать выражением
Л^э+П^э-(Л_вч^э+Л_ни^э+П_вч^э+П_ни^э) (7)
Электрические сигналы представляют собой разницу между широкополосными сигналами Л^э и П^э и высокочастотными сигналами Л_вч^э-П_вч^э и являются низкочастотными сигналами Л_нч^э+П_нч^э (8)
Такое формирование электрических сигналов для возбуждения низкочастотного излучателя позволяет довольно легко перестраивать частоту среза фильтров 1 и 10 высоких частот, не заботясь о согласовании полосы воспроизводимых сигналов широкополосными и низкочастотными излучателями.

Низкочастотный излучатель преобразует электрические сигналы
Л_нч^э+П_нч^э-(Л_ни^э+П_ни^э) (9)
в акустические
Л_нч^A+П_нч^A-(Л_ни^A+П_ни^A), (10)
которые в точке нахождения слушателя складываются с акустическими сигналами широкополосных излучателей
Л_вч^A+Л_ни^A и П_вч^A+П_ни^A (11)
Сумма акустических сигналов в точке прослушивания будет записываться выражением
Л_вч^A+Л_нч^A+П_вч^A+П_нч^A+(Л_ни^A+
+ П_ни^A)-(Л_ни^A+П_ни^A) (12)
Суммы сигналов Л_вч^A+Л_нч^A и П_вч^A+П_нч^A представляют собой сумму акустических сигналов
Л^А+П^А (13)
Из формулы (12) видно, что акустические сигналы нелинейных искажений взаимно уничтожаются.

Таким образом, предлагаемая акустическая система позволяет избавиться от интермодуляционных и нелинейных искажений и, следовательно, повысить качество воспроизведения звуковых сигналов по сравнению с прототипом.

Использование: в качестве звуковоспроизводящей стереосистемы в стационарной и автомобильной аппаратуре. Сущность изобретения: система содержит аттенюаторы, подключенные через сумматор и усилитель к низкочастотному излучателю, а акустические широкополосные излучатели через фильтры высоких частот подключены к информационным входам системы, которые соединены непосредственно с одним из аттенюаторов, а с другими через фильтры высоких частот. 1 ил.

ЗВУКОВОСПРОИЗВОДЯЩАЯ СТЕРЕОСИСТЕМА, содержащая первый и второй широкополосные излучатели, последовательно соединенные усилитель и низкочастотный излучатель, последовательно соединенные первый фильтр высоких частот, вход которого является первым информационным входом стереосистемы, и первый аттенюатор, последовательно соединенные второй фильтр высоких частот, вход которого является вторым информационным входом стереосистемы, и второй аттенюатор, отличающаяся тем, что в нее введены третий и четвертый аттенюаторы и сумматор, входы которого соединены с выходами первого четвертого аттенюаторов, выход сумматора подключен к входу усилителя, вход третьего аттенюатора соединен с первым информационным входом стереосистемы, второй информационный вход которой соединен с входом четвертого аттенюатора, входы первого и второго широкополосных акустических излучателей соединены с выходами соответственно первого и второго фильтров высоких частот.