СИСТЕМА ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО СТЕРЕОСИГНАЛА Российский патент 1998 года по МПК H04S1/00 

Изобретение относится к стереофоническим системам воспроизведения звука.

В настоящее время существует большое многообразие систем стереофонического воспроизведения. Основной чертой всех стереофонических систем является использование двух каналов передачи сигнала для формирования у слушателя пространственной звуковой картины, то есть представления о пространственном расположении кажущихся звуковых источников. Для идеальной передачи исходной звуковой картины требуется использование значительного числа каналов, теоретически - бесконечно большого, в то время как увеличение числа каналов передачи больш двух представляет значительные трудности для практического использования. Однако использование уже двух каналов дает возможность передачи пространственной звуковой картины с определенной степенью достоверности. Степень этой достоверности есть одна из главных характеристик той или иной конкретной стереофонической системы.

Особые трудности при передаче пространственной звуковой картины возникают при использовании для воспроизведения звука головных телефонов. Неподвижное положение электро-акустических преобразователей головных телефонов относительно головы слушателя является одним из главных факторов возникновения такого неприятного для слушателя эффекта как "звучание в голове". А именно, при прослушивании стереопрограммы в головных телефонах у слушателя возникает представление о расположении всех кажущихся звуковых источников в его голове или в непосредственной близости от головы. С другой стороны, звучание головных телефонов имеет ряд достоинств: широкий частотный диапазон и высокая равномерность частотной характеристики, что характеризует звучание как весьма высококачественное, а также высокий уровень развиваемого звукового давления при низкой подводимой мощности и практически полном отсутствии звуковых помех для окружающих.

Решение проблемы "звучание в голове" является одной из актуальнейших проблем современной электроакустики, значительно сдерживающей широчайшее применение головных телефонов для прослушивания стереопрограмм.

Повышение достоверности передачи первичной звуковой картины при использовании внешних акустических систем также является одной из актуальных задач. Так, недостатками звучания при воспроизведении стереосигнала акустическими системами являются определенная "размытость" локализации звуковых источников, находящихся в центре или вблизи от центра звуковой картины, малая глубина звуковой сцены, то есть малый диапазон расстояний от слушателя, на которых, как ему представляется, находятся звуковые источники. (Все звуковые источники представляются расположенными в вертикальной плоскости, соединяющей акустические системы, или близко к этой плоскости).

На устранение перечисленных недостатков и повышение степени достоверности воспроизведения стереопрограмм как через головные телефоны, так и через акустические системы направлено настоящее изобретение.

Известно устройство для создания объемного звучания в помещении, содержащее источник стереофонического сигнала, первый и второй фазовращатели, четыре усилителя, связанные с ними четыре громкоговорителя, расположенные на определенном расстоянии (авторское свидетельство СССР N 606232, кл. Н 04 S 5/00, 1978).

Недостатками устройства являются возникновение искажений звуковой картины, связанных с интерференцией звуковых волн, как излучаемых непосредственно четырьмя акустическими системами, так и отраженных от стен реального помещения, а также сложность предложенной системы.

Известна также стереофоническая система звуковоспроизведения с двумя тыловыми каналами, содержащая основной декодер правого, левого, центрального и эффектного каналов, а также пять громкоговорителей, авторское свидетельство СССР N 1413729, кл. Н 04 S 5/02, 1986. Недостатками этой системы являются, также как и у рассмотренной выше системы, появление интерференционных искажений звуковой картины и, как следствие, "частотной неравномерности" звучания и "размытость" звучания, характерные для систем, использующих для воспроизведения двухканальных стереопрограмм многоканальные акустические системы (в данном случае количество акустических систем равно пяти). Сложность этой системы также является ее недостатком.

Известна система для прослушивания головных телефонов с использованием средства детектирования вращения головы слушателя (патент GB N 2282306, 1995). Эта система содержит источник многоканальной звуковой программы; воспроизводящие электроакустические преобразователи, расположенные в непосредственной близости от ушей слушателя (головные телефоны); устройство генерации адреса, осуществляющее детектирование движения головы слушателя относительно стандартного (среднего) положения; блок памяти, в котором записаны данные о форме импульсного отклика виртуальных (кажущихся) звуковых источников, находящихся в определенном положении относительно стандартного (среднего) положения головы, и об изменении импульсного отклика при любом угле поворота головы слушателя; многоканальное интегрирующее устройство для обработки аудиосигнала и данных из блока памяти методом "интегральной свертки". В качестве устройства детектирования движения головы слушателя в данном изобретении применен подвижный чувствительный магнитный элемент, положение которого определяется направлением силовых линий магнитного поля Земли в сочетании с кодером данных и счетчиком импульсов. При изменении угловых положений головы слушателя относительно направления силовых линий магнитного поля Земли детектор вырабатывает импульсы, количество которых пропорционально величине угла поворота головы.

Недостатками описанной системы являются: необходимость применения многоканального источника аудиопрограмм; сложность устройства, в том числе связанная с необходимостью интегрально-временной обработки сигнала при использовании метода "интегральной свертки"; низкая надежность устройства, связанная с применением датчика, использующего земной магнетизм (датчик имеет механически подвижной элемент, установленный на вращающейся оси, так же, как стрелка компаса), что является причиной низкой надежности и специальных требований при эксплуатации, более того, частичное или полное экранирование магнитного поля Земли в реальных помещениях может являться причиной неработоспособности такого датчика на практике.

Наиболее близким аналогом изобретения является система для воспроизведения акустического сигнала, содержащая источник стереосигнала, узел предварительной обработки сигналов левого и правого каналов по методу "интегральной свертки" сигналов с предварительно записанными в память этого устройства импульсными передаточными характеристиками, при этом выходы узла предварительной обработки сигнала подключены ко входам устройства регулируемой задержки стереосигнала, выходы которого соединены с устройствами для воспроизведения звуковых сигналов в виде головных телефонов. Кроме того, система содержит источник опорного сигнала, установленный неподвижно в помещении для прослушивания, и пару детекторов опорного сигнала, установленных в двух разнесенных позициях на голове слушателя и подключенных к вычислительному устройству для подсчета изменений в угловой ориентации головы слушателя. Выход вычислительного устройства подключен к регулирующему входу устройства регулируемой задержки. В качестве источника опорного сигнала используется ультразвуковой излучатель, а в качестве детекторов опорного сигнала - пара ультразвуковых микрофонов. В вычислительном устройстве используется средство для определения разности фаз сигналов ультразвуковых микрофонов, а также средство для измерения расстояния до источника опорного сигнала, при этом результат измерения расстояния до источника опорного сигнала используется для внесения корректировки результата измерения разности фаз.

Рассмотренная система имеет следующие недостатки. Недостаточная степень достоверности передачи звуковой картины присуща этой системе по нескольким причинам. Применение в узле предварительной обработки сигнала устройств, осуществляющих "интегральную свертку" сигнала с внесенной в память устройства импульсной характеристикой, приводит к частотно-временным искажениям стереосигнала. Вид сигнала и, соответственно, характер звучания отличаются от того, что было заложено в стереопрограмму при ее записи. Например, характер концертного звучания какой-либо программы, записанной с учетом акустических особенностей концертного зала, после обработки сигнала по методу "интегральной свертки" приобретет дополнительную окраску, характер которой, в свою очередь, зависит от формы импульсной характеристики, заложенной в память устройства. Очевидно, что появление такой дополнительной окраски звучания снижает степень достоверности передачи первичной звуковой картины и является искажением замысла звукорежиссера, создавшего фонограмму.

Другим недостатком системы является ее значительная сложность.

Так, для реализации интегрально-временной обработки сигнала по методу "интегральной свертки" необходимо использовать (и это отмечается в описании устройства) аналогово-цифровой преобразователь стереосигнала (АЦП), цифро-аналоговый преобразователь стереосигнала (ЦАП), блок цифровой обработки сигнала, осуществляющий операции умножения, сдвига, интегрирования, блок памяти (для хранения данных о виде используемой импульсной характеристики).

Необходимость для применения предварительной обработки сигнала АЦП, ЦАП, блока памяти и цифрового сигнального процессора является одной из причин высокой сложности (и, соответственно, стоимости) рассмотренной системы.

Значительной сложностью характеризуется также предложенное выполнение устройства определения углового положения головы слушателя. Использование излучателя ультразвука, двух детекторов ультразвукового опорного сигнала, необходимость точных фазовых измерений, а также необходимость введения схемы определения расстояния до источника опорного сигнала и схемы корректирования ошибок, вызванных изменением этого расстояния - все это значительно усложняет это устройство и систему в целом и является ее недостатками.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении степени достоверности передачи звуковой картины, а также упрощении системы.

Указанный технический результат достигается тем, что в системе, которая содержит источник акустического стереосигнала, узел предварительной обработки стереосигнала, причем выходы левого и правого каналов источника стереосигнала подключены ко входам узла предварительной обработки стереосигнала, устройство регулируемой задержки сигналов левого и правого каналов, входы которого подключены к выходам узла предварительной обработки сигнала, устройства воспроизведения звуковых сигналов левого и правого каналов - электроакустические преобразователи, подключенные к выходам устройства регулируемой задержки, а также источник опорного сигнала, установленный таким образом, что его положение в пространстве не зависит от положения головы слушателя, приемник опорного сигнала, установленный неподвижно относительно головы слушателя, и устройство определения углового положения головы слушателя, причем выход приемника опорного сигнала подключен ко входу устройства определения углового положения слушателя, а выход этого устройства подключен к регулирующему входу устройства регулируемой задержки, при этом обеспечивается изменение разности времени задержки сигналов левого и правого каналов при изменении углового положения головы слушателя, соответствующее естественному закону изменения времени задержки при прослушивании реальных звуковых источников, узел предварительной обработки стереосигнала выполнен в виде первого и второго фильтров нижних частот (ФНЧ) и первого и второго двухвходовых сумматоров, причем вход первого ФНЧ и первый вход первого сумматора соединены между собой и являются входом левого канала узла предварительной обработки сигнала, вход второго ФНЧ и первый вход второго сумматора соединены между собой и являются входом правого канала узла предварительной обработки сигнала, выход первого ФНЧ подключен ко второму входу второго сумматора, выход второго ФНЧ подключен ко второму входу первого сумматора, а выходы первого и второго сумматоров являются выходами левого и, соответственно, правого каналов узла предварительной обработки стереосигнала.

В предлагаемой системе источник опорного сигнала может быть выполнен в виде излучателя электромагнитных волн, а приемник опорного сигнала - в виде приемника электромагнитных волн, имеющего некруговую диаграмму направленности и установленного на голове слушателя таким образом, что в положении головы слушателя в направлении на центр звуковой картины направление максимума диаграммы направленности приемника электромагнитных волн не совпадает с направлением на излучатель электромагнитных волн. Излучатель электромагнитных волн при этом может быть выполнен в виде светоизлучателя, а приемник электромагнитных волн - в виде фотоприемника.

В предлагаемой системе источник опорного сигнала может быть установлен неподвижно относительно туловища слушателя.

В предлагаемой системе электроакустические преобразователи могут быть выполнены в виде головных телефонов.

В предлагаемой системе могут быть дополнительно введены первый и второй инверторы сигнала, а также первый и второй аттенюаторы, причем входы первого и второго инверторов подключены, соответственно, к выходам левого и правого каналов устройства регулируемой задержки, выходы первого и второго инверторов подключены, соответственно, ко входам первого и второго аттенюаторов, при этом выход первого аттенюатора подключен к электроакустическому преобразователю правого канала, а выход второго аттенюатора подключен к электроакустическому преобразователю левого канала.

На фиг. 1 изображена схема системы; на фиг. 2 - схема устройства определения углового положения головы слушателя; на фиг. 3 - характеристики фильтров нижних частот, используемых в системе; на фиг. 4 - схема системы с использованием дополнительно введенных инверторов сигнала и аттенюаторов.

Предлагаемая система содержит:
- источник акустического стереосигнала 1, формирующий на своих выхода сигналы левого Л и правого П стереоканалов и подключенный ко входам узла предварительной обработки стереосигнала 2; узел предварительной обработки стереосигнала 2, состоящий из первого фильтра нижних частот (ФНЧ) 3 и второго ФНЧ 4 и первого 5 и второго 6 двухвходовых сумматоров, при этом вход ФНЧ 3 и первый вход сумматора 5 соединены между собой и подключены к выходу левого стереоканала источника сигнала 1, вход ФНЧ 4 и первый вход сумматора 6 также соединены между собой и подключены к выходу правого стереоканала источника сигнала 1, выход ФНЧ 3 подключен ко второму входу сумматора 6, выход ФНЧ 4 подключен ко второму входу сумматора 5, а выходы сумматора 5 и 6 являются выходами левого и, соответственно, правого каналов узла предварительной обработки стереосигнала 2; устройство регулируемой задержки 7, содержащее первую и вторую линии задержки ЛЗ 8 и 9, сигнальные входы которых подключены к выходам узла 2 предварительной обработки: вход линии задержки 8 - к выходу левого канала узла предварительной обработки стереосигнала 2, вход линии задержки 9 - к выходу правого канала узла предварительной обработки стереосигнала 2,
- устройства воспроизведения звуковых сигналов - электроакустические преобразователи левого и правого каналов 10 и 11, входы которых соединены с выходами линий задержки 8 и 9, соответственно;
- источник опорного сигнала 12, содержащий генератор опорного сигнала 13 и подключенный к его выходу излучатель опорного сигнала 14;
- приемник опорного сигнала 15, установленный неподвижно относительно головы слушателя;
- устройство определения углового положения 16 головы слушателя, при этом вход этого устройства подключен к выходу приемника опорного сигнала 15, а выходы - к регулирующему входу устройства регулируемой задержки 7.

При выполнении источника опорного сигнала 14 в виде светоизлучателя приемник опорного сигнала системы выполнен в виде фотоприемника 17 (фиг. 2), подключенного ко входу устройства определения углового положения 16 головы слушателя. Устройство 16 содержит входной усилитель 18, выход которого подключен к детектору 19. Выход детектора 19 является выходом устройства 16, и управляющий сигнал с него поступает затем на регулирующий вход одной из линий задержки 8 и 9 устройства 7 регулируемой задержки. Кроме того, выход детектора 19 может быть подключен ко входу инвертора опорного сигнала 20 с выхода которого управляющий сигнал поступает затем на регулирующий вход другой линии задержки устройства 7 регулируемой задержки.

Положение источника и приемника опорного сигнала в системе могут обратными по отношению к вышеуказанным, а именно - источник опорного сигнала может быть расположен на голове слушателя, а приемник опорного сигнала - независимо от положения головы слушателя.

При использовании в системе дополнительно вводимых первого 21 и второго 22 инверторов сигнала (фиг. 4), а также первого 23 и второго 24 аттенюаторов вход первого инвертора 21 подключен к выходу линии задержки 8 (левого канала), вход второго инвертора 22 подключен к выходу линии задержки 9 (правого канала), выходы первого 21 и второго 22 инверторов подключены, соответственно, ко входам первого 23 и второго 24 аттенюаторов, при этом выход первого аттенюатора 23 подключен к электроакустическому преобразователю 11 правого канала, а выход второго аттенюатора 24 подключен к электроакустическому преобразователю 10 левого канала.

Работа системы происходит следующим образом. Выходной стереосигнал источника 1 в качестве которого могут использоваться проигрыватель компакт-дисков, проигрыватель грампластинок, кассетный магнитофон, тюнер стереопрограмм и любые другие источники стереосигнала, поступает на вход узла предварительной обработки 2 стереосигнала.

В этом узле сигнал левого канала поступает на первый вход первого сумматора 5 и вход первого ФНЧ 3, сигнал правого канала поступает на первый вход второго сумматора 6 и вход второго ФНЧ 4. Выходной сигнал ФНЧ 3 поступает на второй вход сумматора 6, а выходной сигнал ФНЧ 4 - на второй вход сумматора 5.

Обработанный стереосигнал с выходов сумматоров 5 и 6 поступает на входы устройства регулируемой задержки 7: сигнал левого канала - на вход линии задержки 8, сигнал правого канала - на вход линии задержки 9.

С выходов линий задержки 8 и 9 сигналы левого и правого каналов поступают на устройства воспроизведения звука (электроакустические преобразователи) 10 и 11.

При функционировании устройства осуществляется регулирование разности времени задержки сигналов левого и правого каналов в соответствии с поворотами головы слушателя при помощи устройства регулируемой задержки 7, на регулирующий вход которого поступает управляющий сигнал с выхода устройства определения углового положения 16 головы слушателя. Для работы устройства определения углового положения 16 используется опорный сигнал, который воспринимается приемником опорного сигнала 15 и затем с выхода последнего поступает на вход устройства 16. В свою очередь опорный сигнал формируется источником опорного сигнала 12, в котором сигнал генератора 13 поступает на излучатель 14.

Формирование у слушателя представления о расположении звуковых источников в пространстве перед ним достигается в системе за счет совместного действия узла предварительной обработки 2 стереосигнала и регулирования разности времени задержки сигналов левого и правого каналов в соответствии с поворотами головы слушателя при помощи устройства регулируемой задержки 7.

При реализации предлагаемой системы в качестве излучателя опорного сигнала 14 может использоваться излучатель электромагнитных волн любого вида, например, светоизлучатель (в том числе светоизлучающий диод), катушка индуктивности, штыревая антенна радиочастотного диапазона и др. В качестве приемника опорного сигнала 15 при этом используется приемник того же вида электромагнитных волн, что и у излучателя, соответственно фотоприемник, катушка индуктивности, антенна и т. д. Единственное требование, предъявляемое при этом к приемнику электромагнитных волн - это то, что он должен иметь некруговую диаграмму направленности и быть установлен на голове слушателя таким образом, что в положении головы слушателя в направлении на центр звуковой картины направление максимума диаграммы направленности приемника электромагнитных волн не совпадает с направлением на излучатель электромагнитных волн.

Рассмотрим работу системы при реализации источника опорного сигнала и приемника опорного сигнала в соответствии с фиг. 2. В этом случае источник опорного сигнала 12 выполнен в виде светоизлучателя 14, например светодиода или нескольких светодиодов, подключенных к выходу генератора опорного сигнала 13. В качестве светоизлучателя в системе могут применяться, например, практически любые типы светодиодов видимого или инфракрасного диапазонов. В качестве генератора опорного сигнала - любой генератор сигнала синусоидальной, прямоугольной или иной формы. Приемник опорного сигнала 17, в данном случае - фотоприемник, имеет некруговую диаграмму направленности и установлен на голове слушателя таким образом, что в центральном положении головы слушателя (направлении на центр звуковой картины) направление максимума диаграммы направленности не совпадает с направлением на светоизлучатель. Наиболее распространенная форма диаграммы направленности фотоприемников имеет косинусоидальный вид. Это означает, что для удовлетворения приведенного требования при направлении головы слушателя на центр звуковой картины приемный фотоприемник должен находиться в развернутом положении относительно направления на излучатель опорного сигнала, как это показано на фиг. 2. В этом случае, если поворот головы слушателя в одну сторону вызывает уменьшение уровня сигнала фотоприемника, то поворот головы в противоположную сторону вызывает увеличение уровня сигнала. Далее сигнал фотоприемника 17 поступает на вход устройства 16 определения угла поворота головы слушателя, которое содержит усилитель 18 сигнала фотоприемника, детектор 19 и инвертор 20. Усиленный и продетектированный сигнал фотоприемника с выхода детектора 19 поступает на регулирующий вход одной из линий задержки устройства 7 регулируемой задержки (фиг. 1). Проинвертированный сигнал с выхода инвертора 20 поступает на регулирующий вход второй линии задержки устройства 7 регулируемой задержки. При этом обеспечивается противоположные по знаку изменения времени задержки в правом и левом каналах при изменении уровня сигнала фотоприемника, то есть при поворотах головы слушателя. Очевидно, что при этом обеспечивается линейное или близкое к линейному изменение разности времени задержки сигналов левого и правого каналов при поворотах головы слушателя относительно центрального направления.

Во время работы системы при повороте головы слушателя вправо относительно кажущихся звуковых источников, находящихся перед слушателем, обеспечивается увеличение времени задержки в правом канале по отношению к времени задержки в левом канале. При повороте головы слушателя влево обеспечивается увеличение времени задержки в левом канале по отношению к правому каналу. Величина изменения разности времени задержки устанавливается соответствующей изменению разности времени задержки акустического сигнала, поступающего на правое и левое уши слушателя при угловом смещении реального звукового источника. Так, известно, что смещение звукового источника на угол 30^o относительно слушателя вызывает изменение разности времени задержки 0,3 мс (см., напр. Вознесенский Ю.А., Клименко Г.К. Квадрофония. - М.: Энергия, 1979, с. 8-9). В диапазоне углов до 60^o зависимость изменения разности времени задержки от угла имеет практически линейный характер с наклоном порядка 10 мкс/градус.

Как показали экспериментальные прослушивания, на практике вполне достаточно обеспечить близкое к линейному изменение разности времени задержки при поворотах головы слушателя в пределах ±30^o. Для получения в этом диапазоне углов близкой к линейной зависимости оптимальным является размещение фотоприемника 17 так, что направление его оси составляет угол 50-55^o по отношению к направлению на светоизлучатель (в центральном положении головы слушателя). При других значениях угла система сохраняет работоспособность, однако диапазон возможных углов поворота головы слушателя уменьшается.

Очевидно, что необходимое изменение разности времени задержки сигналов левого и правого каналов в системе обеспечивается также в случае, если одна из линий задержки имеет фиксированное время задержки. Инвертор 20 в этом случае не используется.

Рассмотрим более подробно функции узла предварительной обработки сигнала поз. 2 на фиг. 1.

Экспериментальные прослушивания описанной системы при отключенном узле предварительной обработки сигнала, а именно, - в случае, если сигналы левого и правого каналов подаются на входы устройства регулируемой задержки в обход узла предварительной обработки, показали, что в этом случае для кажущихся звуковых источников, находящихся в центре стереопанорамы (уровень сигнала таких источников в левом канале равен или близок к уровню сигнала в правом канале) слушатель ощущает расположение таких источников на определенном расстоянии перед собой и воспринимает их как реально существующие в пространстве перед ним источники звука. Однако источники, расположенные не в центре стереопанорамы (уровни сигнала в левом и правом каналах существенно различаются), слушатель ощущает расположенными значительно ближе - вплоть до звучания в непосредственной близости от ушей. Достоверность звуковой картины оценивается слушателем в этом случае как весьма слабая.

Работа узла предварительной обработки в предлагаемом устройстве основана на особенности слуха человека при приходе звуков от источников, находящихся под углом по отношению к направлению головы, воспринимать различными ушами нижние частоты звукового диапазона (до 300-500 Гц) как имеющие равную или близкую интенсивность, а более высокие частоты - как имеющие различную интенсивность для разных ушей. Так, для источника звука, расположенного справа от слушателя, интенсивность верхних частот сильнее для правого уха, в то время как интенсивность нижних частот практически равна для обоих ушей. Известно, что причиной такого явления является экранирующее действие головы, которое проявляется при длинах звуковых волн меньших или близких по величине к размеру головы, то есть в частном диапазоне от 300-500 Гц и выше. На фиг. 3 приведены зависимости разности уровней звукового сигнала в левом и правом ушах слушателя от частоты при двух различных углах прихода звука ( α = 30^o - кривая 1 на фиг. 3 и α = 60^o - кривая 2) (см. Вознесенский Ю.А., Клименко Г. К. Квадрофония. - М.: Энергия, 1979, с. 8-9). Видно, что разность уровней возрастает с ростом частоты, хотя зависимости от частоты имеют немонотонный характер. Применение в узле предварительной обработки предлагаемого устройства фильтров нижних частот с частотными характеристиками, представленными линиями 3 или 4 на фиг. 3 обеспечивает характер изменения уровня сигнала от частоты близкой к естественному при любом соотношении уровней сигналов левого и правого каналов в исходном стереосигнале. Как результат совместной работы узла предварительной обработки сигнала и схемы регулирования задержки сигнала слушатели отмечают высокую достоверность передачи звуковой картины, выражающуюся в появлении ощущения значительной угловой ширины стереопанорамы и ее глубины, а также неискаженном, "чистом" и "прозрачном" звучании.

Необходимо отметить, что угловая ширина стереопанорамы может изменяться за счет изменения характеристик ФНЧ узла предварительной обработки сигнала. Так, если частотная характеристика ФНЧ выбрана близкой к кривой 3 фиг. 3, то слушатель ощущает расположение крайних источников звука под углом 30^o и, следовательно, угловая ширина стереопанорамы имеет величину ±30^o. Если частотная характеристика ФНЧ выбрана в соответствии с кривой 4 фиг. 3, ширина стереопанорамы имеет величины ±60^o. Таким образом, за счет изменения наклона частотной характеристики ФНЧ узла предварительной обработки сигнала в предлагаемом устройстве реализуется простая возможность регулирования ширины стереопанорамы.

При реализации системы необходимо учитывать, что частотные характеристики двух ФНЧ узла предварительной обработки сигнала должны быть близкими друг к другу, поскольку это обеспечивает симметричность стереопанорамы относительно слушателя.

Как было установлено, отклонения характеристик фильтров от приведенных на фиг. 3 на величину порядка 10% практически не влияют на качество воспроизведения стереосигнала и степень достоверности передачи звуковой картины.

Необходимо отметить также возможность реализации системы с использованием в узле предварительной обработки вместо двух ФНЧ одного ФНЧ, имеющего двунаправленную передаточную характеристику. В этом случае используется лишь один ФНЧ, а суммирование сигналов осуществляется на входном сопротивлении устройства регулируемой задержки. Применение одного ФНЧ в этом случае дополнительно упрощает устройство и автоматически обеспечивает симметричность стереопанорамы.

На практике в качестве ФНЧ узла предварительной обработки сигнала могут применяться практически любые известные фильтры (см. напр., Титце У., Жени К. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1982, с. 512; Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники, т. 1 - М.: Мир, 1983, с. 598), позволяющие получить частотную характеристику, близкую к кривым 3, 4 фиг. 3. Хорошие результаты дает применение простейших пассивных или активных RC-фильтров первого порядка. В качестве ФНЧ с двунаправленной характеристикой передачи может использоваться пассивный RC, LC или LR-фильтр.

При использовании в системе в качестве излучателя и приемника электромагнитных волн отличного от световых волн вида (катушек индуктивности, штыревых антенн радиочастотного диапазона и т.д.) функционирование системы происходит аналогично выше рассмотренному. При использовании радиоволн нет необходимости в наличии прямой видимости между излучателем и приемником опорного сигнала.

Как уже было указано выше, в предлагаемой системе источник опорного сигнала может быть установлен неподвижно относительно тела слушателя. Возможность установить таким образом источник опорного сигнала очевидна при использовании электромагнитных волн отличного от световых волн вида. Действие устройства при этом основано на том факте, что человек совершает движения головой (сознательно или бессознательно) значительно чаще, чем повороты туловища.

Важной особенностью этой реализации системы является то, что направление на центр звуковой картины не "привязано" к какому-либо направлению в окружающем пространстве. При повороте слушателя в какую-либо сторону звуковая картина по-прежнему остается перед ним, например направление на центр звуковой картины может быть выбрано перпендикулярным относительно линии плеч.

В качестве устройств воспроизведения акустического сигнала (электроакустических преобразователей) в предложенной системе могут использоваться как головные стереофонические телефоны любых типов, так и акустические системы. В последнем случае оптимальным является расположение акустических систем по противоположным сторонам от слушателя - справа и слева от него - как на одной линии с головой слушателя, так и несколько сзади него. Несмотря на такое расположение акустических систем у слушателя возникает достоверное ощущение расположения звуковых источников в пространстве перед ним. При этом в отличие от обычного прослушивания стереофонических акустических систем при использовании предлагаемой системы возникает ряд преимуществ. А именно, значительно возрастает угловая ширина стереопанорамы, возрастает точность локализации звуковых источников по углу, то есть возрастает "угловое разрешение". Кроме того, у слушателя возникает впечатление о различном расстоянии до различных звуковых источников (эти расстояния зависят от условий записи).

Рассмотрим работу системы при дополнительном введении в нее инверторов сигнала и аттенюаторов в соответствии с уже рассмотренной выше схемой. В этом случае сигнал левого канала с выхода линии задержки 8 поступает на вход первого инвертора 21 сигнала, а с его выхода - на вход первого аттенюатора 23. С выхода аттенюатора 23 ослабленный сигнал левого канала поступает на электроакустический преобразователь 11 вместе с сигналом правого канала с выхода ЛЗ 9. Сигнал правого канала с выхода линии задержки 9 поступает также на вход второго инвертора 22 сигнала, а с его выхода - на вход второго аттенюатора 24. С выхода аттенюатора 24 ослабленный сигнал правого канала поступает на электроакустический преобразователь 10 вместе с сигналом левого канала с выхода ЛЗ 8. Таким образом, в системе обеспечивается добавление в каждом канале ослабленного и противофазного сигнала другого канала. Суммирование сигналов при этом может осуществляться либо непосредственно на входном сопротивлении электроакустических преобразователей, либо в системе могут быть добавлены сумматоры основного и дополнительного сигналов.

Как показала экспериментальная проверка, оптимальным является использование аттенюаторов с ослаблением в диапазоне 10-20 дБ.

Рассмотрим, за счет чего в предлагаемой системе достигается указанный технический результат - повышение достоверности передачи звуковой картины и упрощение устройства.

Одним из основных отличий предлагаемой системы от рассмотренного выше наиболее близкого аналога является то, что в узле предварительной обработки сигнала производится обработка сигнала в частотной области, в то время как в системе-прототипе, как уже отмечалось, производятся интегрально-временная обработка сигнала по методу "интегральной свертки" сигнала с записанной в память импульсной характеристикой. Это отличие позволяет исключить появление в предлагаемой системе частотно-фазовых искажений сигнала, связанных с суммированием различных фрагментов сигнала, имеющих различные временные сдвиги (именно такое суммирование означает операция "свертки"). В предлагаемой системе в узле предварительной обработки происходит "перекрестное" суммирование сигналов левого и правого каналов, прошедших через фильтр нижних частот и не имеющих каких-либо временных сдвигов относительно исходных сигналов. Поэтому в этом случае не возникает искажений сигнала. Применение ФНЧ позволяет достаточно точно учесть физиологические особенности слуха человека, практически не внося искажений в исходный стереосигнал. Это есть главная причина, по которой у предлагаемой системы достигается более высокая степень достоверности передачи звуковой картины.

Другой причиной достижения более высокой cтепени достоверности является использование при реализации системы вместо двух разнесенных приемников опорного сигнала одного приемника опорного сигнала, имеющего некруговую диаграмму направленности. Дело в том, что в предлагаемой системе при поворотах головы слушателя происходит изменение уровня сигнала, снимаемого с приемника опорного сигнала, при этом это изменение сигнала непосредственно связано с изменением угла поворота головы. Использование угловой диаграммы направленности приемника опорного сигнала позволяет непосредственно получить информацию об угле поворота головы слушателя, в то время как в системе-прототипе для этого требуется пересчет разности фаз сигналов двух приемников и дополнительная корректировка результата после измерения расстояния до источника импульсно-временным методом. Вероятность возникновения ошибок на любом этапе вычислений в этом случае значительно выше, в результате чего у слушателя может возникнуть неверное представление о пространственном расположении звуковых источников, то есть степень достоверности передачи звуковой картины в этом случае ниже.

Говоря об упрощении системы, необходимо отметить, что достижение этого технического результата обеспечивается как применением ФНЧ в узле предварительной обработки, так и применением для приема опорного сигнала одного приемника (с использованием его диаграммы направленности). Как уже отмечалось, использование в системе-прототипе интегрально-временной обработки сигнала требует применения в узле предварительной обработки устройств аналогово-цифрового преобразования, цифро-аналогового преобразования, процессора цифровой обработки сигналов, блока памяти. Необходимость применения этих устройств делает систему в целом сложной и дорогостоящей.

В отличие от этого в предлагаемой системе в узле предварительной обработки используются простейшие аналоговые фильтры и сумматоры, состоящие буквально из нескольких радиоэлементов, хотя при этом достигается полная имитация используемых особенностей слуха. Это является причиной резкого упрощения системы и, соответственно, снижения ее себестоимости.

Применение одного приемника опорного сигнала с использованием его диаграммы направленности также упрощает систему, поскольку значительно упрощается устройство определения угла поворота головы слушателя.

В качестве дополнительного технического результата необходимо отметить повышение надежности как узла предварительной обработки сигнала, так и устройства определения угла поворота головы слушателя. За счет этого повышается надежность системы в целом.

При использовании в системе в качестве излучателя и приемника опорного сигнала излучателя и приемника электромагнитных волн отличного от световых волн вида (такая возможность отмечалась выше), возникает дополнительный технический результат - становится возможным использование системы при наличии препятствий между излучателем опорного сигнала и слушателем, например, при нахождении слушателя в другом помещении.

При установке источника опорного сигнала неподвижно относительно тела слушателя (такая возможность уже рассматривалась выше), также возникает дополнительный технический результат - а именно, возможность "мобильного" использования системы, то есть в случае, если слушатель передвигается, например, находясь в дороге и т.п.

В варианте системы с использованием дополнительно введенных инверторов сигнала и аттенюаторов достигается дополнительное увеличение "эффекта присутствия" и достоверности звучания при прослушивании системы.

Областью применения изобретения являются стереофонические системы воспроизведения звука. Система содержит источник стереосигнала, первый и второй фильтры нижних частот, первый, второй сумматоры сигналов, подключенные к выходам источника стереосигнала. Система также содержит устройство регулируемой задержки сигналов левого и правого каналов, регулирующий вход которого подключен к выходу устройства определения углового положения головы слушателя. Вход устройства определения углового положения головы слушателя подключен к приемнику опорного сигнала, установленному неподвижно на голове слушателя. Источник опорного сигнала расположен таким образом, что его положение не зависит от положения головы слушателя. Техническим результатом изобретения является повышение достоверности передачи звуковой картины и упрощение системы. 5 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Система для воспроизведения акустического стереосигнала, содержащая источник акустического стереосигнала, узел предварительной обработки стереосигнала, причем выходы левого и правого каналов источника стереосигнала подключены ко входам узла предварительной обработки стереосигнала, устройство регулируемой задержки сигналов левого и правого каналов, входы которого подключены к выходам узла предварительной обработки сигнала, устройства воспроизведения звуковых сигналов левого и правого каналов - электроакустические преобразователи, подключенные к выходам устройства регулируемой задержки, а также источник опорного сигнала, установленный таким образом, что его положение в пространстве не зависит от положения головы слушателя, приемник опорного сигнала, установленный неподвижно относительно головы слушателя, и устройство определения углового положения головы слушателя, причем выход приемника опорного сигнала подключен ко входу устройства определения углового положения слушателя, а выход этого устройства подключен к регулирующему входу устройства регулируемой задержки, при этом обеспечивается изменение разности времени задержки сигналов левого и правого каналов при изменении углового положения головы слушателя, соответствующее естественному закону изменения времени задержки при прослушивании реальных звуковых источников, отличающаяся тем, что узел предварительной обработки стереосигнала выполнен в виде первого и второго фильтров нижних частот (ФНЧ) и первого и второго двухвходовых сумматоров, причем вход первого ФНЧ и первый вход первого сумматора соединены между собой и являются входом левого канала узла предварительной обработки сигнала, вход второго ФНЧ и первый вход второго сумматора соединены между собой и являются входом правого канала узла предварительной обработки сигнала, выход первого ФНЧ подключен ко второму входу второго сумматора, выход второго ФНЧ подключен ко второму входу первого сумматора, а выходы первого и второго сумматоров являются выходами левого и соответственно, правого каналов узла предварительной обработки стереосигнала. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что источник опорного сигнала выполнен в виде излучателя электромагнитных волн, а приемник опорного сигнала - в виде приемника электромагнитных волн, имеющего некруговую диаграмму направленности и установленного на голове слушателя таким образом, что в положении головы слушателя в направлении на центр звуковой картины направление максимума диаграммы направленности приемника электромагнитных волн не совпадает с направлением на излучатель электромагнитных волн. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что источник опорного сигнала установлен неподвижно относительно туловища слушателя. 4. Система по п.1, отличающаяся тем, что электроакустические преобразователи выполнены в виде головных телефонов. 5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены первый и второй инверторы сигнала, а также первый и второй аттенюаторы, причем входы первого и второго инверторов подключены, соответственно, к выходам левого и правого каналов устройства регулируемой задержки, выходы первого и второго инверторов подключены, соответственно, ко входам первого и второго аттенюаторов, при этом выход первого аттенюатора подключен к электроакустическому преобразователю правого канала, а выход второго аттенюатора подключен к электроакустическому преобразователю левого канала. 6. Система по п. 2, отличающаяся тем, что излучатель электромагнитных волн выполнен в виде светоизлучателя, а приемник электромагнитных волн выполнен в виде фотоприемника.