СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ПРИЕМА ЗВУКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЗВУКА Российский патент 1997 года по МПК H04R27/00 

Данное изобретение относится к способу и системе для приема звука. Изобретение касается также устройства для приема и воспроизведения звука, использующего этот способ.

Основной областью применения данного изобретения является осуществление конференц-связи, когда устройство для приема и воспроизведения звука помешается в одном блоке относительно небольших размеров. Этот блок должен легко устанавливаться на столе и работать в любом помещении, не требуя его акустической обработки. Желательно, чтобы его могло использовать лицо, имеющее большую свободу перемещения вокруг устройства, по меньшей мере в радиусе 4м, во время введения переговоров со своим партнером в нормальных комфортных условиях прослушивания для обоих корреспондентов.

Желательно также, чтобы этот блок мог использоваться любым числом лиц, собравшихся в одном помещении и расположившихся вокруг предмета обстановки, на котором установлено устройство. Для того, чтобы добиться этих результатов, необходимо стремиться к выполнению четырех условий:
1. Устройство должно быть объединено с двумя автоматическими регуляторами уровня, обеспечивающими, чтобы в линию подавался правильный уровень сигнала при любой акустической мощности, принимаемой микрофоном (микрофонами) устройства и зависящей от положения говорящего (говорящих) относительно этого микрофона или микрофонов, и чтобы на громкоговоритель (громкоговорители) нижний уровень сигнала подавался при любом затухании, вносимом линией.

2. Звук, воспроизводимый громкоговорителем (громкоговорителями), должен восприниматься с достаточным комфортом прослушивания независимо от места, занимаемого слушателем (слушателями) в помещении.

3. Звук, принимаемый микрофоном (микрофонами), должен сохранять достаточно стабильным такие качества, как прозрачность и чистота, а также быть приятным для прослушивания при любом положении говорящего (говорящих) относительно устройства и при любой конфигурации помещения.

4. Устройство должно обеспечивать хорошую акустическую развязку между громкоговорителем (громкоговорителями) и микрофоном (микрофонами) с тем, чтобы оно могло гарантировать достаточно высокий уровень звука при прослушивании, не вызывая эффекта Ларсена, а также с тем, чтобы передавать удаленному корреспонденту как можно меньшее акустическое эхо.

В настоящее время известны находящиеся в эксплуатации устройства, удовлетворяющие условию 1.

Например, существуют устройства, которые удовлетворяют условию 4 благодаря использованию одного микрофона и четырех громкоговорителей, причем эти громкоговорители ориентированы по четырем направлениям, расположенным под углом 90^o друг к другу, и возбуждаются парами противофазно. Такой способ позволяет успешно получать низкое значение коэффициента связи, так как микрофон помещается в точку, являющуюся центром симметрии по отношению к громкоговорителям. Если последние возбуждаются противофазно парами и имеют одинаковые характеристики, то звук, исходящий от громкоговорителей и воспринимаемый микрофоном, будет очень слаб, и, таким образом развязка будет очень хорошей.

Однако этот тип устройства плохо соответствует условиям 2 (поскольку из-за фазовых сдвигов 180^o между громкоговорителями диаграмма излучения комплекта этих громкоговорителей не будет круговой в горизонтальной плоскости и будет сильно зависеть от излучаемых частот) и 3 (так как микрофон принимает прямые и непрямые, отраженные, звуки одинаково, не различая их, то качество принимаемого микрофоном звука будет в слишком большой степени зависеть от положения говорящего в помещении и от конфигурации этого помещения).

Известен способ приема звуковых сигналов (патент США N 4078155) с помощью одного микрофона, который размещают в корпусе, имеющем вертикальную ось симметрии, соосно этой оси. Микрофон устанавливают так, чтобы расстояние от него до поверхности, на которой устанавливается корпус, составляло около 2,5 см. В соответствии с данным способом, микрофон принимает звуки, приходящие с разных направлений, по существу, с одинаковой чувствительностью.

Известна также система для приема звука, реализующая рассмотренный способ и описанная в том же патенте США. Система содержит всенаправленный микрофон, т.е. имеющий круговую диаграмму направленности как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, размещенный в корпусе, выполненном так, чтобы исключить воздействие на микрофон механической вибрации.

Круговая диаграмма направленности микрофона данной системы дает возможность говорящему свободно перемещаться вокруг, например, стола, на котором установлен корпус с микрофоном, без ухудшения качества звука. Однако для некоторых применений, в том числе для конференц-связи, желательно, чтобы система для приема звука имела низкую чувствительность к звукам, приходящим по определенному направлению, наряду с круговой диаграммой направленности в плоскости, перпендикулярной этому направлению. Такая пространственная диаграмма направленности системы для приема звука позволяет, с одной стороны, обеспечить хорошую акустическую развязку микрофона и громкоговорителя, а с другой дать свободу перемещения участникам разговора. Отсутствие в пространственной диаграмме направленности рассмотренной системы определенного направления, характеризующегося низкой чувствительностью, является основным недостатком способа и системы согласно патенту США N 4078155.

Известно устройство для воспроизведения звука (патент США N 4348549), излучающее звуковой сигнал во всех направлениях, преимущественно в горизонтальной плоскости, и содержащее высокочастотные и низкочастотные громкоговорителями, установленные соосно в одном корпусе, имеющем вертикальную ось симметрии. Недостаток устройства состоит в том, что оно не удовлетворяет условиям 1 и 4, приведенным выше.

Известно также устройство для приема и воспроизведения звука, представленное в патенте США N 4837829, содержащее по меньшей мере два микрофона и два громкоговорителя. В данном устройстве благодаря использованию фазовращателей и суммирующей цепи синфазные сигналы, поступающие от двух микрофоном, взаимно вычитаются, что обеспечивает развязку микрофонов и громкоговорителей. В том случае, когда используется более одной пары микрофонов и громкоговорителей, они должны быть расположены симметрично и количество пар должно быть четным.

Основным недостатком такого устройства является то, что оно не удовлетворяет условиям 2 и 3, так как его диаграмма направленности в горизонтальной плоскости как для приема звука, так и для его воспроизведения, будет отлична от круговой и, следовательно, будет иметь место зависимость уровня звука от положения говорящего относительно микрофона.

Одна из основных целей настоящего изобретения заключается в создании способа и устройства для приема звука, обеспечивающих получение низкой чувствительности к звукам, приходящим по заданному направлению.

Другая цель изобретения заключается в том, чтобы в плоскости, перпендикулярной к заданному направлению, получаемая чувствительность относительно незначительно изменялась в зависимости от направления, по которому приходят звуки, и в зависимости от частотных составляющих этих звуков.

В рамках предпочтительного, но не ограничивающего его объема, применения изобретения в качестве устройства конференц-связи с приемом и воспроизведением звука достижение вышеуказанной цели позволяет путем ориентации одного или нескольких громкоговорителей по упомянутому заданному направлению полностью удовлетворить условию 3 и добиться по меньшей мере такого же соответствия условиям 1, 2 и 4, как и в известных устройствах.

Таким образом, согласно изобретению предлагается способ приема звука с использованием нескольких звукоприемных устройств, отличающийся тем, что звукоприемные устройства располагают в одной и той же плоскости симметрично по отношению к оси симметрии, перпендикулярной к этой плоскости, причем между выходными сигналами различных звукоприемных устройств вводят сдвиг по фазе и сигналы с этим фазовым сдвигом суммируют таким образом, что сигналы, соответствующие любой звуковой волне, приходящей в одинаковой фазе и с одной и той же интенсивностью, на каждое из звукоприемных устройств, по существу подавляются.

Вследствие симметричного расположения звукоприемных устройств идущие по направлению оси симметрии звуки достигают их в одинаковой фазе и с одной и той же интенсивностью. В результате благодаря введению фазовых сдвигов и суммированию сдвинутых по фазе сигналов эти приходящие по направлению оси симметрии звуки после обработки по существу подавляются. Напротив, звуки, идущие перпендикулярно к оси симметрии, достигают разные приемные устройства, имея разные фазы и/или амплитуды. Таким образом эти звуки сохраняются и правильно воспроизводятся.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления способа согласно изобретению используется четное число звукоприемных устройств, которые объединены в пары, при этом звукоприемные устройства каждой пары располагают симметрично по отношению к оси симметрии, и один из выходных сигналов звукоприемных устройств каждой пары вычитают из другого для их сложения с фазовым сдвигом 180^o между ними.

Следовательно, звук приходящие по направлению оси симметрии, так же как и различные помехи, могут быть эффективно устранены простым вычитанием сигналов с выходов приемных устройств каждой пары. Это вычитание может осуществляться вместе м предусилением при помощи дифференциального предусилителя, подключенного к выходу приемных устройств каждой пары.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления указанного способа используют 2n звукоприемных устройств, объединенных в пары и расположенный с равными интервалами по окружности с центром на оси симметрии, где n обозначает целое число, по меньшей мере равное 2, и между выходными сигналами любых двух соседних звукоприемных устройств вводят сдвиг по фазе 360^o/2n. Эти особенности позволяют получить диаграмму направленности, которая близка к круговой в плоскости, перпендикулярной к оси симметрии. В принципе, чем большее число n пар звукоприемных устройств, тем более однородный характер имеет диаграмма направленности в плоскости, перпендикулярной к оси симметрии. На практике отмечено, что с двумя парами приемных устройств можно получить хороший компромисс между таким однородным характером и стоимостью используемых элементов.

В соответствии с другой целью, согласно изобретению предлагается система для приема звука, содержащая несколько звукоприемных устройств и средства обработки выходных сигналов звукоприемных устройств, отличающаяся тем, что звукоприемные устройства расположены фактически в одной и той же плоскости симметрично по отношению к оси симметрии, а средства обработки выполнены с возможностью введения сдвига по фазе между выходными сигналами различных звукоприемных устройств и сложения этих сдвинутых по фазе сигналов так, что сигналы, соответствующие любой звуковой волне, приходящей в одинаковой фазе и с одной и той же интенсивностью на каждое звукоприемное устройство, по существу подавляются.

Данное устройство предназначено для осуществления представленного вше способа.

В соответствии с третьей целью, согласно изобретению предлагается устройство для приема и воспроизведения звука, содержащее по меньшей мере один громкоговоритель, ориентированный по оси симметрии, и средства приема звука, отличающееся тем, что средства приема звука содержат систему в соответствии со второй целью изобретения, причем ось симметрии этой системы совпадает с направлением ориентации громкоговорителя.

Это устройство может использоваться для конференц-связи и вполне соответствует критериям 1-4, перечисленным выше.

Другие особенности и преимущества данного изобретения будут видны из подробного описания примеров его осуществления со ссылками на приложенные чертежи, на которых: на фиг. 1 показан осевой разрез устройства согласно данному изобретению; на фиг. 2 показан разрез части устройства, представленного на фиг. 1, в плоскости II-II; на фиг. 3 показана блок-схема средств обработки звуковых сигналов, принимаемых микрофонами устройства, представленного на фиг. 1 и 2; на фиг. 4 показана более подробно схема дифференциального предусилителя, используемого в представленных на фиг. 3 средствах обработки; на фиг. 5 и 6 показаны фазовые фильтры, используемые в средствах обработки по фиг. 3; на фиг. 7 схематично показаны фазосдвигающие каналы, используемые в средствах обработки по фиг. 3; на фиг. 8-11 показаны аналогичные фиг. 2 сечения устройства в соответствии с различными вариантами осуществления изобретения; и на фиг. 12 показан общий схематичный вид другого варианта осуществления изобретения.

Ниже изобретения описано на примерах устройства для приема и воспроизведения звука, которое позволяет вести переговоры со свободными руками. Это устройство может использоваться для конференц-связи, что представляет собой предпочтительную область применения предлагаемого способа. Однако для специалистов очевидно, что часть этого устройства, предназначенная для приема звука, сама по себе обладает изобретательским уровнем, что позволяет непосредственно применить ее в других типах систем для приема звука.

Представленное на фиг. 1 и 2 устройство согласно изобретению содержит коробку 1, корпус 2, в который вставлено несколько звукоприемных устройств М1, М2, М3 и М4, и деталь 3, в которой установлен громкоговоритель 4. Корпус 2 и деталь 3 имеют форму тела вращения относительно оси D симметрии. Деталь 3 закреплена на корпусе 2, который в свою очередь установлен на коробке 1. Между деталью 3 и корпусом 2, а также между корпусом 2 и верхней частью коробки 1 могут находиться прокладки из звукоизолирующих и/или поглощающих: механические вибрации материалов, например, прокладка 5. В целом устройство имеет конструкцию, симметричную относительно оси D, чтобы минимизировать влияние механических вибраций на сигналы, создаваемые микрофонами М1, М2, М3, М4.

В своей нижней части коробка 1 имеет опоры 6 из резины или подобного ей материала, предназначенные для установки устройства на горизонтальную поверхность, например, на стол. В этом случае ось D симметрии является вертикальной. Внутри коробки 1 расположены электрические схемы 7, 8. Как схематично показано на фиг. 1, в точках 9, 10 эти схемы могут быть подключены к внешней системе конференц-связи (не показана), совместно с которой функционирует устройство согласно изобретению. Эти схемы содержат усилительную схему 7, которая принимает сигналы с выхода системы конференц-связи и подает их после усиления на громкоговоритель 4 так, что он создает соответствующие звуки, и средства 8 обработки сигналов с выходов звукоприемных устройств М1, М2, М3, М4 и подачи этих сигналов после обработки на систему конференц-связи. Чтобы повысить комфортность прослушивания, усилительная схема 7 может содержать известную электронную схему для коррекции частотной характеристики громкоговорителя 4, в частности, для подъема нижних частот и для подавления возможных резонансов и параллельных резисторов. Кроме того, между схемами 7 и 8 обычно устанавливаются известные средства компенсации эха.

В рассматриваемом примере имеется четыре звукоприемных устройства, каждое из которых содержит один микрофон М1, М2, М3, М4. Все эти четыре микрофона М1, М2, М3, М4 расположены в одной горизонтальной плоскости P, перпендикулярной оси D симметрии.

Как видно из фиг. 2, четыре микрофона М1, М2, М3, М4 размещены симметрично относительно оси D симметрии, которая перпендикулярна к плоскости чертежа. Эти четыре микрофона находятся на окружности 13, параллельной плоскости P, с центром на оси D симметрии. Эти четыре микрофона объединены парами, соответственно М1, М3 и М2, М4; при этом микрофоны каждой пары размещены симметрично относительно оси D симметрии, а две пары микрофонов расположены по двум диаметрам 14, 15, образующим между собой прямой угол.

Каждый из микрофонов М1, М2, М3, М4 вставлен в соответствующую полость 12, полученную механической обработкой в корпусе 2. Корпус 2 является металлическим, например, латунным. Через корпус по оси D симметрии проходит осевое отверстие 16, кроме того корпус имеет четыре радиальных отверстия 17, каждое из которых проходит между осевым отверстием 16 и одной из четырех полостей 12. Осевое отверстие 16 вместе с соответствующим отверстием 18, предусмотренным в основании детали 3, служит для прокладки соединительных проводов (не показаны) от громкоговорителя 4 к усилительной схеме 7. Осевое отверстие 16 и четыре радиальных отверстия 17 служат для проводов (не показаны), соединяющих микрофоны М1, М2, М3, М4 со средствами 8 обработки сигналов, помещенными в коробке 1.

Четыре микрофона М1, М2, М3, М4 являются микрофонами конденсаторного типа и имеют малые размеры (например, имеют форму цилиндра диаметром 6 мм и высотой 4,5 мм). Известно, что в определенной производственной партии эти микрофоны имеют фактически одинаковую чувствительность с отклонениями, не превышающими 3-4 дБ. Таким образом, для изготовления устройства можно легко отобрать четыре микрофона с характеристиками, идентичными в пределах заданного допуска (например 0,5 дБ).

Корпус 2 установлен на плоской металлической пластине 20, параллельной плоскости P микрофонов и образующей верхнюю поверхность коробки 1. Цилиндрический корпус 2 имеет осевой цилиндрический выступ 21 меньшего диаметра, опирающийся на эту плоскую пластину 20 и определяющий расстояние 22 между плоской пластиной 20 и поверхностью 23 корпуса 2, которая параллельна плоскости P и со стороны которой открыты полости 12, полученные механической обработкой. Выступ 21 корпуса 2 обеспечивает определенную акустическую развязку между микрофонами М1, М2, М3, М4 в отношении звуков, приходящих в плоскости, перпендикулярной оси D симметрии. Как видно из фиг. 1, полости 12 имеют глубину по оси большую, чем высота цилиндров микрофонов М1, М2, М3, М4, и последние установлены в соответствующие полости 12 таким образом, что между стороной каждого микрофона, обращенной к пластине 20, и поверхностью 23, определяющей край полостей 12, остается зазор 24.

Сзади от микрофона М1, М2, М3, М4 каждая полость 12 продолжается в виде части 25 меньшего диаметра с образованием уступа, на который опирается задняя поверхность микрофона. Кроме того, с этой частью 25 сообщается радиальное отверстие 17, образуя тем самым пространство для соединительных проводов (не показаны).

Установленная на корпусе 2 деталь 3 образует акустический ящик для громкоговорителя 4. Громкоговоритель 4 установлен в детали 3 по оси D симметрии и ориентирован по этой оси в направлении, противоположном плоскости P, где находятся микрофоны М1, М2, М3, М4. Это означает, что диффузор 29 громкоговорителя 4, имеющий форму тела вращения, расположен в детали 3 таким образом, что ось этого тела вращения совпадает с осью D симметрии устройства, а внешний край 30 этого диффузора расположен в плоскости, перпендикулярной к оси D симметрии. При использовании для конференц-связи внешний край 30 диффузора 29 обычно находится на высоте от 100 до 150 мм над горизонтальной поверхностью, на которой стоит устройство. Чтобы защитить диффузор 29 громкоговорителя 44, в верхней части детали 3 устанавливается защитная решетка 32.

Наружная периферийная поверхность 33 детали 3 имеет криволинейную вогнутую форму и тангенциально сопряжена с наружной периферийной поверхностью корпуса 2, которая представляет собой цилиндр с образующей, фактически параллельной оси D симметрии.

Средства 8 для обработки сигналов микрофонов М1, М2, М3, М4 представлены в виде схемы на фиг. 3. Эти средства содержат, с одной стороны, два дифференциальных предусилителя А13, А24 и два фазосдвигающих канала D13, D24 для создания фазового сдвига между сигналами от разных микрофонов, а с другой стороны схему 40 суммирования, предусмотренную для образования суммы сдвинутых по фазе сигналов, формируемых фазосдвигающими каналами D13, D24. На выходе схемы 40 суммирования установлена схема 41, которая формирует сигналы с целью их передачи на внешнюю систему конференц-связи. В соответствии с изобретением создание фазовых сдвигов и суммирование выполняются так, что сигналы, относящиеся к любой звуковой волне, приходящей в одинаковой фазе и с одинаковой интенсивностью на каждый из микрофонов М1, М2, М3, М4, по существу подавляются на выходе схемы 40 суммирования. В частности, когда устройство стоит на столе горизонтально, звуки, излучаемые громкоговорителем 4 и отражаемые находящимся над устройством горизонтальным потолком, приходят на четыре микрофона по направлению оси D симметрии и, с учетом симметричного расположения микрофонов, имеют одинаковую фазу и интенсивность у каждого из них. Следовательно, эти отраженные сигналы исключаются из выходного сигнала схемы 8 обработки. Кроме того, симметричная конструкция системы для приема звука обеспечивает то, что механические вибрации в устройстве будут достигать микрофоны одинаковыми путями. Поэтому воздействие этих вибраций на микрофоны также не влияет на выходной сигнал схемы 8 обработки.

В показанном на фиг. 3 примере дифференциальный предусилитель А13 (соответственно А24) имеет два входа E1, E3 (соответственно E2, E4), Каждый из которых подключен к одному из пары микрофонов М1, М3 (соответственно М2, М4), расположенных диаметрально противоположно относительно оси D симметрии. Дифференциальные предусилители А13, А24 осуществляют предварительное усиление выходных сигналов микрофонов, устраняют некоторые имеющиеся в этих сигналах помехи и образуют выходные сигналы S13, S24, которые пропорциональны разности между входными сигналами, приходящими от микрофонов. Иначе говоря, каждый дифференциальный предусилитель А13 (соответственно А24) создает фазовый сдвиг 1800 между выходными сигналами микрофонов М1, М3 (соответственно М2, М4), и суммирует эти сдвинутые по фазе сигналы, что по существу подавляет сигналы, относящиеся к любой звуковой волне, которая приходит в одинаковой фазе и с одинаковой интенсивностью на каждый из микрофонов М1, М3 (соответственно M2, M4), составляющих пару. Выходы дифференциальных предусилителей A13, A24 соединены соответственно со входами двух фазосдвигающих каналов D13, D24. Фазосдвигающий канал D13 получает выходной сигнал S13 дифференциального предусилителя A13 и вводит в него фазовый сдвиг, зависящий от частоты, выдавая выходной сигнал SD13. Аналогично, фазосдвигающий канал D24 получает выходной сигнал S24 от дифференциального предусилителя A24 и вносит в него фазовый сдвиг, зависящий от частоты, выдавая выходной сигнал SD24, фазосдвигающие каналы D13, D24 построены таким образом, что даже если выходные сигналы SD13 и SD24 по отдельности получили частотно-зависимый сдвиг по фазе, соответствующие выходные сигналы SD13, SD24 имеют друг относительно друга фазовый сдвиг, который практически не зависит от частоты. В описываемом здесь примере с четырьмя микрофонами этот частотно-независимый фазовый сдвиг равняется 90^o.

Сдвинутые по фазе выходные сигналы SD13, SD24 подаются на два входа схемы 40 суммирования. Она выдает выходной сигнал ST, равный сумме двух сигналов SD13, SD24. Таким образом, эта сумма ST представляет собой комбинацию образуемых четырьмя микрофонами M1, M2, M3, M4 сигналов, в которой между сигналами с выходом любых двух соседних микрофонов существует фазовый сдвиг 90^o. Поэтому в этой комбинации устраняются сигналы, соответствующие звукам, приходящим к микрофонам по направлению вдоль оси D симметрии, а также влияние симметричных механических вибраций. В противоположность этому, для плоскости, перпендикулярной к оси D симметрии, в этой комбинации ST звуковые сигналы воспринимаются одинаково независимо от направления их падения в этой плоскости. При предпочтительном применении устройства для конференц-связи звуки, издаваемые говорящими, будут восприниматься фактически при любом местоположении этих лиц относительно устройства, тогда как эхо-сигналы от громкоговорителя будут по существу подавляться. Кроме того, размещение микрофонов M1, M2, M3, M4 в корпусе 2 и наличие зон звукового давления между корпусом 2 и металлической пластиной 20, отражающей звуковые волны, в значительной степени устраняет непрямые эхо-сигналы, достигающие микрофонов.

В одном из типичных в отношении размеров примере цилиндрический корпус 2 имеет наружный диаметр 54 мм, четыре микрофона расположены на окружности 13 диаметром 46 мм, выступ 21 корпуса 2 имеет диаметр 36 мм и высоту, определяющую расстояние 22, около 2 мм, а полости 12 имеют диаметр 6 мм, совпадающий с диаметром микрофонов, и осевую глубину, позволяющую оставить зазор 24 около 3 мм. В этом примере изменения в общем комбинированном сигнале от всех микрофонов в зависимости от направления падения в плоскости, перпендикулярной оси D симметрии, не превышают ±0,5 дБ во всей полосе, соответствующим частотам телефонной связи. Если это возможно, полоса частот расширяется до 7000 Гц, при этом наблюдаются изменения всего лишь в пределах ±2,5 дБ, которые могут быть дополнительно уменьшены путем уменьшения размеров узла для установки микрофонов.

Подробная схема дифференциального предусилителя A13 представлена на фигг4; дифференциальный усилитель A24 имеет ту же самую схему. Каждый из входов E1, E3 дифференциального предусилителя A13 подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 45, 46 и кроме того эти входы соединены вместе посредством двух резисторов 47, 48, включенных последовательно и имеющих одно и тоже омическое сопротивление. Точка соединения этих двух одинаковых резисторов 47, 48 подключена к земле. Инвертирующие входы операционных усилителей 45, 46 соединены друг с другом через резистор r. Каждый из двух операционных усилителей 45, 46 имеет выход, подключенный через резистор R обратной связи к своему инвертирующему входу. Дифференциальный предусилитель A13 содержит также третий операционный усилитель 49, с выхода которого подается выходной сигнал S13 дифференциального предусилителя A13. Неинвертирующий вход этого третьего операционного усилителя 49 соединен с помощью резистора 50 с выходом операционного усилителя 45, неинвертирующий вход которого подключен к микрофону M1. Инвертирующий вход третьего операционного усилителя 49 подключен посредством резистора 51 с тем же активным сопротивлением, что и у вышеуказанного резистора 50, к выходу операционного усилителя 46, неинвертирующий вход которого подключен к микрофону M3. Неинвертирующий вход третьего операционного усилителя 49 кроме того подключен к земле через резистор 52 с тем же активным сопротивлением, что и у вышеупомянутых резисторов 50, 51. Выход третьего операционного усилителя 49 подключен также к его инвертирующему входу через резистор 53 обратной связи, имеющий то же активное сопротивление, что резисторы 50, 51, 52. На фиг.4 цепи питания микрофонов M1, M3 и операционных усилителей 45, 46, 49 не показаны.

Данный блок дифференциального предусилителя A13, представленный на фиг. 4, создает необходимую разность между выходными сигналами микрофонов M1, M3 и, кроме того, устраняет помехи, присутствующие в этих сигналах. Выходной сигнал S13 определяется следующей зависимостью:
S13 (E1 E3) • (1 + 2R/r),
где
E1 и E3 амплитуды сигналов, приходящих на входы дифференциального предусилителя A13, обозначенные соответственно E1 и E3, а R и r значения активного сопротивления резисторов, обозначенных соответственно R и r. Необходимое значение коэффициента предварительного усиления может быть установлено с помощью подбора отношения 2R/r.

Фазосдвигающие каналы D13, D24 представлены схематично на фиг.7. Каждый из этих фазосдвигающих каналов D13, D24 состоит из соединенных в чередующейся последовательности фазовых фильтров PT1 первого типа (фиг.5) и второго типа PT2 (фиг.6); каждый фазовый фильтр имеет коэффициент усиления равный 1 независимо от частоты поступающих сигналов напряжения.

Как показано на фиг.5, фазовый фильтр PT1 имеет вход, который, с одной стороны, подключен к инвертирующему входу операционного усилителя OA1 с помощью резистора с величиной активного сопротивления r₁, а с другой стороны к неинвертирующему входу этого операционного усилителя OA1 через резистор с величиной активного сопротивления R₁. Выходом фазового фильтра PT1 является выход операционного усилителя OA1, который подключен к инвертирующему входу этого же усилителя через резистор обратной связи с величиной активного сопротивления r₁. Кроме того, неинвертирующий вход операционного усилителя OA1 с помощью конденсатора с емкостью C₁ подключен к земле. Этот фазовый фильтр PT1 создает между его входным и выходным сигналами сдвиг по фазе, зависящий от частоты входного сигнала и находящийся в диапазоне от 0^o для частоты, стремящейся к нулю, до 180^o для частоты, стремящейся к бесконечности. Зависимость этого фазового сдвига от частоты определяется значениями параметров резистора R₁ и конденсатора C₁; для опорной частоты входного сигнала f₁= 1/(2πR₁C₁) достигается фазовый сдвиг 90^o.

Как видно из фиг.6, фазовый фильтр типа PT2 имеет вход, который, с одной стороны, подключен к инвертирующему входу операционного усилителя OA2 с помощью резистора с величиной активного сопротивления r₂, а с другой стороны к неинвертирующему входу этого операционного усилителя OA2 через конденсатор с емкостью C₂. Выходом фазового фильтра PT2 является выход операционного усилителя OA2, который через резистор обратной связи с величиной омического сопротивления r подключен к инвертирующему входу этого операционного усилителя. Кроме того, неинвертирующий вход операционного усилителя OA2 соединен с землей при помощи резистора с величиной активного сопротивления R₂. Фильтр PT2 вносит между своими входным и выходным сигналами сдвиг по фазе, который зависит от частоты входного сигнала и находится в пределах от 180^o для частоты, стремящейся к нулю, до 380^o для частоты, стремящейся к бесконечности. Эта зависимости фазового сдвига от частоты определяется значениями параметров резистора R₂ и конденсатора C₂; для опорной частоты входного сигнала f₂= 1/(2πR₂C₂) достигается фазовый сдвиг 270^o.

Как показано на фиг.7, фазосдвигающий канал D13 содержит включенные последовательно фазовый фильтр PT1A типа PT1, фазовый фильтр PT2B типа PT2 и фазовый фильтр PT1C типа PT1. Фазосдвигающий канал D24 содержит последовательно включенные фазовый фильтр PT2A типа PT2, фазовый фильтр PT1B типа PT1 и фазовый фильтр PT2C типа PT2. В каждом из фазосдвигающих каналов D13, D24 опорные частоты следующих друг за другом фазовых фильтров образуют геометрическую прогрессию с одним и тем же знаменателем K. Первый фазовый фильтр PT1A фазосдвигающего канала D13 имеет опорную частоту F, а первый фазовый фильтр PT2W канала D24 имеет среднюю частоту G K^1/2F. Таким образом, опорные частоты последовательно включенных фазовых фильтров фазосдвигающего канала D24, который начинается с фазового фильтра PT2, соответственно равны опорным частотам последовательно включенных фильтров фазосдвигающего канала D13, который начинается с фильтра типа PT1, умноженным на K^1/2.

В этом случае между выходным SD13 и входным S13 сигналами фазосдвигающего канала D13 наблюдается сдвиг по фазе D1, зависящий от частоты f этих сигналов, а между выходными SD24 и входным S24 сигналами фазосдвигающего канала D24 наблюдается фазовый сдвиг D2 частоты f этих сигналов. Однако для составляющей с частотой f, общей для входных сигналов S13 и S24, разность D2-D1 относительно независима от частоты f.

В частности, изменения разности D2-D1 в зависимости от частоты f будут минимизированы при K = e^π
В одном из примеров осуществления изобретения, испытанном заявителем, было выбрано значение F 8 Гц и K 23 (близкое к e^π≈ 23,14 ). В этом случае составленные таким образом каналы D13, D24 вносят между своими соответствующими выходными сигналами SD13, SD24 разность D2-D1 в фазовых сдвигах, равную 90^o±7^o в полосе частот, находящейся между 50 и 7000 Гц.

На практике такое изменение ±7^o вполне допустимо в устройстве для приема звука в соответствии с изобретением.

Примечательно, что при таком малом числе фильтров на канал (3) можно добиться разности D2-D1 в фазовых сдвигах, которая практически постоянна в такой широкой полосе частот. Для того, чтобы дополнительно расширить эту полосу частот с практически постоянной разностью в фазовых сдвигах, можно увеличить число фазовых сдвигов, приходящихся на канал, при этом сохраняется геометрическая прогрессия со знаменателем K для значений опорных частот фильтров каждого канала.

Следует отметить, что порядок следования включенных последовательно фазовых фильтров в одном канале может быть изменен в пределах объема изобретения. Отдельные фазовые сдвиги, вносимые фазовыми фильтрами PT1A, PT2B, PT1C или PT2A, PT1B, PT2C, суммируются друг с другом независимо от порядка их следования. Для фазовых фильтров PT1A, PT2B, PT1C или PT2A, PT1B, PT2C, включенных последовательно в каждом фазосдвигающем канале D13, D24, является достаточным содержать по меньшей мере одну группу фазовых фильтров, которые при рассмотрении их в порядке возрастания опорных частот являются поочередно фильтрами первого PT1 и второго PT2 типа и имеют опорные частоты, образующие геометрическую прогрессию со знаменателем K, идентичным для обоих фазосдвигающих каналов D13, D24.

Когда между двумя каналами D13, D24 необходимо получить относительно постоянную разность фазовых сдвигов d=D2-D1, величины сопротивления R₁, R₂ и емкости C₁, C₂ в фазовых фильтрах различных типов PT1A, PT2A, имеющих самую низкую опорную частоту в каждом из каналов D13, D24, выбирают таким образом, чтобы опорные частоты F = 1/(2πR₁C₁) и G = 1/(2πR₂C₂) этих фильтров PT1A, PT2A были связаны соотношением G/F K^1-(d/180), где d выражено в градусах. Например, чтобы получить между выходными сигналами фазосдвигающих каналов D13, D24 сдвиг по фазе 360^o/2n, следует выбрать G/F K^1-1/n.

Понятно, что согласно изобретению могут быть использованы различные расположения микрофонов. Возможные примеры, не ограничивающие объема изобретения, приведены на фиг. 8-11, которые представляют собой разрезы, подобные фиг. 2.

В примере, представленном на фиг. 8, применено шесть микрофонов 100, размещенных в вершинах правильного шестиугольника с центром на оси D симметрии. Эти шесть микрофонов 100 также могут быть объединены в пары, каждая из которых содержит два микрофона, расположенных диаметрально противоположно по отношению к оси D симметрии. Выходные сигналы микрофонов каждой пары вычитаются один из другого, как описано ранее. Фазосдвигающие каналы в этом случае выполнены так, что между сигналами, полученными вычитанием для каждой пары микрофонов 100, создается фазовый сдвиг 60^o. Это делает возможность получить те же самые преимущества, что и в примере с четырьмя микрофонами, описанном со ссылками на фиг. 1-7. В общем случае может быть предусмотрено n пар звукоприемных устройств, расположенных с одинаковыми интервалами по окружности 13 с центром на оси D симметрии, где n обозначает целое число, по меньшей мере равное двум, при этом средства 8 обработки реализуются так, что между сигналами от любых двух соседних звукоприемных устройств создается фазовый сдвиг 360^o/2n.

Кроме того, из представленного на фиг. 8 примера видно, что металлический корпус 102, в котором механической обработкой выполнены полости 112, вмещающие микрофоны 100, может иметь форму, отличную от ранее описанной цилиндрической формы. В этом примере диаметр нижнего выступа 121 корпуса 102 выдержан по всей высоте корпуса 102, в последний в своей расположенной выше выступа 121 части имеет шесть радиальных выступов, в которых механической обработкой выполнено соответственно шесть полостей 112 для микрофонов 100. Следовательно, области воздушного давления, образуемые между верхней металлической пластиной 20 коробки 1 и частью корпуса 102, вмещающей микрофоны, пространственно ограничены более четким образом.

Другой возможный пример геометрической формы корпуса 202, содержащего, например, четыре микрофона M1, M2, M3, M4, представлен на фиг. 9. В этом примере часть корпуса 202, расположенная выше его нижнего выступа 221, имеет форму правильного многоугольника с центром на оси D симметрии, а круговой контур выступа 221 расположен внутри этого правильного многоугольника (в примере с четырьмя микрофонами данный многоугольник является квадратом). В этом случае полости, предназначенные для микрофонов M1, M2, M3, M4, выполняются механической обработкой в тех частях квадрата,/ которые выходят наружу за пределы круглого профиля, определяемого выступом 221.

Как и пример, описанный со ссылками на фиг. 1-7, представленный на фиг. 10 вариант осуществления относится к системе с четырьмя звукоприемными устройствами 300. В этом варианте осуществления каждое звукоприемное устройство 300 содержит несколько микрофонов 301 (в представленном примере - два), расположенных вблизи друг от друга. Таким образом, корпус 302 имеет восемь полостей, расположенных симметрично относительно оси D, для установки в них восьми микрофонов 301. В данном случае средства 8 обработки сигналов содержат четыре дополнительные схемы суммирования (не показаны) для сложения совпадающих по фазе двух сигналов, подаваемых соответственно двумя микрофонами 301, составляющими каждое из звукоприемных устройств 300. В остальном средства 8 обработки сигналов идентичны описанным со ссылками на фиг. 3; выходные сигналы от четырех дополнительных схем суммирования в этом случае образуют четыре сигнала, подаваемые на входы дифференциальных предусилителей А13, А24.

Из примера, представленного на фиг. 11 можно видеть, что способ согласно настоящему изобретению может быть осуществлен при нечетном числе (три) микрофонов 400. В таком случае три микрофона расположены в корпусе 402 по трем радиальным линиям, точка пересечения которых совпадает с осью D симметрии и которые образуют между собой углы 120^o. При этом средства 8 обработки не содержат дифференциальных предусилителей, включенных непосредственно на выходе микрофонов 400. Должны использоваться фазосдвигающие каналы, содержащие фазовый сдвиг 120^o между выходными сигналами любых двух микрофонов 400 до выполнения суммирования этих сдвинутых по фазе сигналов. В выходном сигнале, полученном суммированием этих трех сдвинутых по фазе на 120,198> сигналов, также наблюдается низкая или нулевая чувствительность к звукам, проходящим по направлению оси D симметрии, и относительно постоянная чувствительность к звукам, проходящим в плоскости, перпендикулярной к этой оси D.

На фиг. 12 схематично представлен вид сбоку на устройство для приема и воспроизведения звука согласно одному из вариантов осуществления изображения. Основание устройства состоит из коробки 501, содержащей различные электрические схемы. Устройство содержит главный громкоговоритель 504, ориентированный по оси D симметрии, и вспомогательный громкоговоритель 505 меньших размеров для воспроизведения верхних звуковых частот. Два громкоговорителя 504, 505 расположены друг к другу тыльными сторонами, чтобы излучать в противоположных направлениях по оси D. Плоскость P, в которой расположены микрофоны M1-M4, проходит между громкоговорителями 504, 505 таким образом, что микрофоны практически не принимают никаких звуков непосредственно от громкоговорителей 504, 505. Деталь 503, образующая акустический ящик для главного громкоговорителя 504, имеет по существу форму цилиндра, установленного по оси D симметрии, и смонтирована на коробке 501 при помощи четырех стоек 519, через которые проходят провода для подключения громкоговорителей 504, 505 и микрофонов. Деталь 511 в виде конуса закреплена на верхней поверхности коробки 501, при этом конус является осесимметричным с осью симметрии D и направлен вершиной в сторону главного громкоговорителя 504. Главный громкоговоритель 504 ориентирован вниз в направлении конуса 511, так что звуки, которые он излучает, отражаются конусом 511 вбок с равномерным распределением в горизонтальной плоскости. Корпус 502, в котором помещены микрофоны, расположен относительно громкоговорителя 504 со стороны, противоположной стороне размещения конусообразной детали 511. Расположение микрофонов в корпусе 502 подобно описанному ранее со ссылками на фиг. 1 и 2. Плоская металлическая пластина 510 отражает звуковые волны и разделяет деталь 503, образующую акустический ящик для главного громкоговорителя 504, и корпус 502 с микрофонами. Обработка сигналов микрофонов идентична описанной ранее. Вспомогательный громкоговоритель 505 установлен в детали 506, образующей акустический ящик. Эта деталь 506 в виде усеченного конуса является осесимметричной с осью D симметрии. Меньшее основание этой конусообразной детали закреплено на верхней части корпуса 502 для микрофонов, а большее основание так же, как и громкоговоритель 505 верхних частот, обращено вверх.

Показанная на фиг. 12 конфигурация обеспечивает высокую эффективность главного громкоговорителя 504, так как конус 511 однородно направляет звуки к слушателям. Кроме того, улучшается эффективность микрофонов, так как они расположены от отношению к верхней части устройства таким образом, что когда оно стоит на столе, микрофоны находятся на более высоком уровне (например, 30 см), чем поверхность стола, то есть примерно на уровне губ говорящих, если они сидят вокруг стола. Наконец, наличие вспомогательного громкоговорителя верхних частот улучшает качество звуковоспроизведения.

После ознакомления с описанием изобретения специалистам должно быть очевидно, что возможны различные другие варианты осуществления. Вышеприведенные примеры служат для пояснения изобретения и не ограничивают его объема.

Использование: способ и система для приема и воспроизведения звука. Сущность изобретения: несколько микрофонов (M1, M3) расположены в одной и той же плоскости (P) симметрично по отношению к оси (D) симметрии, перпендикулярной к этой плоскости (P). Между выходными сигналами разных микрофонов (М1, М3) вводится сдвиг по фазе. Сигналы, сдвинутые по фазе, суммируют таким образом, чтобы подавить сигналы, соответствующие любой звуковой волне, приходящей на каждый из микрофонов (М1, М3) в одной фазе и с одной и той же интенсивностью. Устройство может быть оснащено громкоговорителем (4), размещенным на оси (D) симметрии и сориентированным по этой оси в направлении, противоположном от микрофонов (М1, М3). Применяется главным образом с системой конференц-связи. 2 с. и 14 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Система для приема звука, содержащая n звукоприемных устройств (М1 - М4, 100, 300, 400), где n > 2, и средства 8 обработки выходных сигналов звукоприемных устройств, выполненные с возможностью обеспечения введения фазового сдвига между выходными сигналами любых двух соседних звукоприемных устройств, равного 360/n, и суммирование сигналов с этим фазовым сдвигом для обеспечения равномерного и без ослабления приема сигналов, отличающаяся тем, что звукоприемные устройства расположены в корпусе по окружности 13 с центром на оси симметрии D и содержат микрофоны (М1, М2, М3, М4, 100, 301, 400), расположенные в одной и той же плоскости P, перпендикулярной оси симметрии D, для обеспечения возможности приема звуковых волн, приходящих по направлению, параллельному плоскости P, причем каждый микрофон помещен в соответствующую полость (12, 112), выполненную в этом корпусе и открытую с одной стороны 23, обращенной к плоской пластине (20, 510), отражающей звуковые волны, которая расположена параллельно плоскости P. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что корпус (2, 102, 202, 302, 402, 502), в котором выполнены полости (12, 112) с размещенными в них соответствующими микрофонами (М1 М4, 100, 301, 400), имеет симметричную форму относительно оси D симметрии и выполнен с выступом со стороны плоской пластины (20, 510), отражающей звуковые волны, для обеспечения заданного расстояния d (22) между полостями (12, 112) и пластиной (20, 510). 3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что каждый микрофон (М1 М4, 100, 300, 400) вставлен в соответствующую полость (12, 112) таким образом, что между стороной этого микрофона, обращенной к плоской пластине (20, 510), которая отражает звуковые волны, и краем 23 этой полости (12, 112), обращенным к этой пластине (20, 510), имеется зазор 24. 4. Система по любому из пп.1 3, отличающаяся тем, что каждое звукоприемное устройство содержит один микрофон (М1 М4, 100, 300, 400). 5. Система по любому из пп.1 3, отличающаяся тем, что каждое звукоприемное устройство 300 содержит несколько микрофонов 301, причем средства 8 обработки выполнены так, что выходные сигналы микрофонов 301, составляющих каждое звукоприемное устройство 300, суммируются в фазе для формирования выходного сигнала этого звукоприемного устройства 300. 6. Система по любому из пп.1 5, отличающаяся тем, что окружность 13 выбрана с диаметром 46 мм, по которой размещено 2n микрофонов с возможностью получения суммарного комбинированного сигнала для всей совокупности микрофонов, который незначительно изменяется в зависимости от направления падения сигнала на плоскость, перпендикулярную оси симметрии D, во всем частотном диапазоне для телефонной связи и изменение которого увеличивается в случае расширения этого частотного диапазона до 7000 Гц, и которые также могут быть уменьшены путем уменьшения размеров микрофонного узла. 7. Система по любому из пп.1 6, отличающаяся тем, что установлено m 2n звукоприемных устройств (М1 М4, 100, 300), где m четное число и больше 2. 8. Система по п.7, отличающаяся тем, что средства 8 обработки для каждой пары звукоприемных устройств (М1 М4, 100, 300, 400) содержат дифференциальный предусилитель А13 и А24, который имеет два входа Е1, Е3 и Е2, Е4 соответственно для приема выходных сигналов двух звукоприемных устройств (М1 М4, 100, 300, 400) пары и выход для получения усиленной разности S13 и S24 между двумя сигналами, принятыми на входах Е1 Е4. 9. Система по п. 7 или 8, отличающаяся тем, что для создания фазового сдвига 360^o/m между выходными сигналами любых двух соседних звукоприемных устройств средства 8 обработки содержат n фазосдвигающих каналов D13, D24, каждый из которых имеет вход для приема выходного сигнала S13, S24 одной из указанной пар и выход SD13, SD24, причем n выходных сигналов фазосдвигающих каналов суммируются для образования выходного сигнала системы для приема звука. 10. Система по п.9, отличающаяся тем, что каждый фазосдвигающий канал (D13, D24) содержит соединенные последовательно несколько фазовых фильтров PT1A, PT2B, PT1C, PT2A, PT1B, PT2C двух типов PT1, PT2, причем фазовый фильтр первого типа PT1 содержит резистор R1 и конденсатор C1, значения параметров которых определяют зависимость элементарного фазового сдвига, который создается фазовым фильтром PT1 между его входным и выходным сигналами, от частоты его входного сигнала и который находится в интервале между 0 - 180^o и по существу равен 90^o для опорной частоты f₁= 1/(2πR₁C₁) фазового фильтра PT1, фазовый фильтр второго типа PT2 содержит резистор R2 и конденсатор C2, значения параметров которых определяют зависимость элементарного фазового сдвига, который создается фазовым фильтром PT2 между его входным и выходным сигналами, от частоты его входного сигнала и который находится в интервале между 180 360^o и по существу равен 270^o для опорной частоты f₂= 1/(2πR₂C₂) фазового фильтра PT2, а последовательно включенные фазовые фильтры в каждом фазосдвигающем канале D13, D24 содержат по меньшей мере одну группу фазовых фильтров PT1A, PT2B, PT1C, PT2A, PT1B, PT2C, которые являются чередующимися между собой в порядке возрастания их опорных частот фазовыми фильтрами первого PT1 и второго PT2 типов с опорными частотами F, KF, K²F, G, KG, K²G, по существу образующими геометрическую прогрессию со знаменателем K, одинаковым для обоих фазосдвигающих каналов D13, D24. 11. Система по п.10, отличающаяся тем, что фазовые фильтры первого PT1 и второго PT2 типов выполнены с опорными частотами, образующими геометрическую прогрессию со знаменателем K, равным e^π.
12. Система по любому из п.10 или 11, отличающаяся тем, что два фазовых фильтра PT1A, PT2A различных типов, принадлежащие к двум разным фазосдвигающим каналам D13, D24, имеют соответственно опорные частоты F, G, отношение G/F которых по существу равно K^1-(d/180), где K знаменатель геометрических прогрессий, d заданное значение, выраженное в градусах и равное требуемой разности между фазовыми сдвигами D1, D2, вносимыми соответственно двумя фазосдвигающими каналами D13, D24. 13. Система по любому из пп.10 12, отличающаяся тем, что число фазовых фильтров в каждом фазосдвигающем канале (D13, D24) равно 3. 14. Система по любому из пп. 1 13, отличающаяся тем, что она имеет конструкцию, в общем симметричную по отношению к оси симметрии. 15. Устройство для приема и воспроизведения звука, содержащее средства приема звука и средства воспроизведения звука, включающие по меньшей мере один громкоговоритель 4, 504, 505, отличающееся тем, что средства приема звука содержат систему по любому из пп.1 14 с осью D симметрии. 16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что средства воспроизведения звука расположены на оси D симметрии таким образом, что устройство для приема и воспроизведения звука имеет конструкцию, в общем симметричную относительно этой оси D симметрии.