СПОСОБ ОЗВУЧИВАНИЯ ПОМЕЩЕНИЙ Российский патент 1999 года по МПК H04R5/02 G10K15/02 

Изобретение относится к области акустики и может быть использовано преимущественно в системах звуковоспроизведения, предназначенных для воздействия на психотерапевтическое состояние человека.

Известен способ озвучивания помещений, реализуемый с помощью стереофонического громкоговорителя со звуковыми отражателями (WO 92/22990, H 04 R 5/02, 1/34, 1/28, приоритет 09.06.92 GB 92/01030), предусматривающий выделение спектральных компонент электрического сигнала, соответствующего высокочастотному и среднечастотному диапазонам звуковой энергии, преобразование их в пучки звуковых волн за счет отражателя, направление этих пучков в сторону от слушателей на стены помещения так, чтобы звук отразился от стен помещения прежде чем достигает слушателей, и формирование звукового поля с помощью акустических зеркал для создания иллюзии стереофонического звучания. Известный способ характеризуется наличием фазовых искажений звуковой картины и изменением тембровой окраски сигнала.

Известен способ озвучивания помещения при музыкальной терапии инвалидов, реализуемый устройством в виде громкоговорителя, укрепленного на ящике, пластины, лежащей на упругой опоре на ящике на пути распространения звука, а также частотно-разделительного фильтра (Германия, N OS 4117694, H 04 R 1 /20, 3/14, приоритет 29.05.91). Акустический сигнал разделяется на низкочастотную область спектра звуковых частот, которую подают на громкоговоритель, и на средне- и высокочастотную области, которые подводят к дополнительному ящику. За счет фильтрации сигналов можно получить звук требуемого тембра и силы, но трудно согласовать его с антропометрическими характеристиками тела человека, которые, как считается, и ответственны за психофизиологический эффект звукового воздействия.

Известен способ озвучивания закрытых помещений и открытых пространств (патент РФ N 2018207, H 04 R 1/28, приоритет 23.04.92), заключающийся в том, что выделяют спектральные компоненты электрического сигнала, соответствующие различным полосам частот, преобразуют электрические сигналы в звуковые с помощью попарно и синфазно включенных головок громкоговорителей с обеспечением когерентности звуковых волн. При этом головки громкоговорителей устанавливают параллельно и соосно навстречу друг другу лицевыми панелями на различных расстояниях в соответствии с различными частотными полосами, так что частотная характеристика в пределах каждой полосы равномерна в направлении нормали к оси головок, а отклонение от параллельности установки в вертикальной и горизонтальной плоскостях не превышает ±15^o и от соосности установки не превышает 0,1 характерного размера лицевой панели головки и одновременно 0,02 от расстояния между лицевыми панелями пары головок.

Известный способ позволяет получить звуковую картину хорошего звучания в определенной полосе частот, однако он не обеспечивает широкую частотную характеристику с малой неравномерностью. Следствием этого является отсутствие круговой направленности и объемности звучания, что необходимо для обеспечения высокого качества и естественности звучания акустических систем на базе современных головок громкоговорителей. Используемая конструкция устройства не отвечает условию оптимального согласования звукового поля с психоакустическим восприятием звука человеком, что является основным недостатком для применения его в соответствии со способом при озвучивании помещения в целях терапевтического или психотерапевтического воздействия на человека.

Известный способ выбран в качестве наиболее близкого аналога заявляемого способа.

Задача, решаемая изобретением, состоит в улучшении характеристик звучания акустической системы за счет формирования сфероидальной диаграммы направленности системы, расширения частотной характеристики и получения резонансных характеристик звучания.

Задача решена тем, что в известном способе озвучивания помещений, включающем выделение спектральных компонент электрического сигнала, соответствующих различным полосам частот, преобразование электрических сигналов в звуковые с использованием громкоговорителей, установленных параллельно с заданным отклонением от параллельности, в соответствии с изобретением дополнительно используют отражающую поверхность, акустически связанную с громкоговорителями, производят настройку системы, добиваясь установления в каждой паре громкоговоритель - отражающая поверхность стоячей волны на выбранной частоте, при этом формируют амплитудно-частотную характеристику акустической системы в составе громкоговорители - отражающая поверхность c резонансами на частотах нетранспонированной последовательности интервалов музыкального звукоряда и плоской огибающей в области максимума спектра частот оптимального слухового восприятия.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлено устройство для осуществления способа - акустическая система громкоговорители - отражающая поверхность, и фиг. 2, на которой представлена амплитудно-частотная характеристика используемой акустической системы при озвучивании помещения.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом способе реализуются условия формирования звукового поля в виде стоячей сферической волны с характеристиками, адекватными антропометрическим. Используемая акустическая система построена по принципу резонатора, поскольку головка громкоговорителя и отражающая поверхность при настройке устанавливаются так, чтобы возбудить стоячую волну и ее обертоны, при этом в ходе настройки учитываются конкретные граничные условия (звуковой фон и др.), в связи с чем для громкоговорителей, устанавливаемых параллельно, допускается заданное отклонение от параллельности. Обертоны как дополнительные резонансные частоты определяют одну из важнейших характеристик музыкального (звукового) произведения - его тембровую окраску.

В общем случае структура распределения тембральных составляющих (f_n) может быть представлена соотношением:
f_n = f_ч • n^{^}(1/3), (1)
где n - натуральный ряд чисел, а резонансная частота f_r определяется из соотношения
f_r = C/2L, (2)
где C - скорость звука, L - расстояние от головки громкоговорителя до отражающей поверхности.

Частотная характеристика приобретает вид гребенчатой кривой (а, фиг. 2), пики и провалы которой располагаются в соответствии с нетранспонированной последовательностью интервалов натурального музыкального звукоряда, построенного от опорного сигнала на некоторой резонансной частоте. Максимальная амплитуда для каждого значения n определяется (в относительных единицах) разностью R_n, причем
R_n = n^{^}(1/3) - (n-1)^{^}(1/3), (3)
а общий вид амплитудно-частотной характеристики Y, приведенной к опорной частоте f_оп, выражается формулой
Y = (C/f_оп)•(n^1/3-(n-1)^1/3•sin(2π/n^1/3). (4)
Отметим, что стремление создать равномерную амплитудно-частотную характеристику в диапазоне частот, воспринимаемых человеком, с целью улучшения звукопередачи, создает практически равные условия для воспроизведения наряду с полезным сигналом также и шума от паразитного сигнала, что стимулирует поиск средств подавления помехи (фиг. 2, поз. б). Вместе с тем можно считать, что линеаризация амплитудно-частотной характеристики не отвечает условиям оптимального согласования воспроизводимого сигнала со слуховым восприятием человека. Так, устойчивым звуковым сигналом общения служит сигнал на частоте 440 Гц (нота ЛЯ первой октавы, стандартный камертон). Этот сигнал (с отклонениями по частоте до ± 3%) имеет длину волны 0,78 м, что соответствует эффективной длине позвоночного столба человека: для мужчин эта величина составляет в среднем 76,9 см, а для женщин - 72,5 см при среднеквадратичном отклонении соответственно 3 и 2,8%.

Поэтому формирование звукового пространства в соответствии со структурой натурального источника звука, взаимодействующего с организмом человека в связи с антропометрическими характеристиками и имеющего резонансный характер, не только обеспечивает устойчивую объемную звуковую картину, слуховое восприятие которой не зависит от местоположения слушателя, но и приводит к отчетливо выраженному психофизиологическому воздействию на человека. При этом существенно, чтобы амплитуда резонансов в области максимума спектра частот восприятия человека была примерно одинаковой (давала плоскую огибающую амплитудно-частотной характеристики в этом диапазоне), при этом спектральные составляющие воспринимаются без искажений, соответственно не искажается тембр звучания. Подстройка характеристики системы производится путем введения в систему дополнительно поглощающих материалов с малым коэффициентом поглощения, которые размещают на отражающей поверхности, или выполнением отражающей поверхности (для высшего диапазона частот) из металла или керамики, что способствует устранению "завала" характеристики.

Способ осуществляют следующим образом.

Электродинамические громкоговорители 1, 2, 3 для низкого, среднего и высокого диапазона частот устанавливают вдоль общей оси симметрии или в ряд, обеспечивая параллельность плоскостей раскрыва, и дополнительно устанавливают отражающую поверхность 4 параллельно плоскостям раскрыва громкоговорителей, за счет чего акустически связывают элементы системы громкоговорители - отражающая поверхность. Вся система (фиг. 1) может быть размещена в корпусе, например, имеющем форму усеченного конуса. Источник звукового сигнала через усилитель подключают к системе последовательно включенных катушек громкоговорителей, которые в соответствии со своим диапазоном частот принимают электрический сигнал и преобразуют его в акустический. Производят настройку системы с учетом конкретных условий в помещении, добиваясь установления стоячей волны на выбранной частоте в каждой паре громкоговоритель - отражающая поверхность. Контроль за получением распределения акустического поля в пространстве в виде стоячих волн проводят по регистрируемой амплитудно-частотной характеристике (фиг. 2, поз. а), добиваясь появления отчетливых резонансных пиков в диапазоне частот 100-10000 Гц, соответствующем максимуму спектра восприятия человека, причем подстройку величины амплитуды резонансных максимумов осуществляют путем регулирования условий отражения/поглощения сигнала от отражающей поверхности, добиваясь устойчивой картины излучения акустических волн на основной выбранной частоте и ее обертонах (фиг. 2, поз. б). При этом регулирование условий отражения/поглощения включает допустимое (на несколько градусов) отклонение от параллельности отражающей поверхности и плоскости раскрыва громкоговорителя.

Настроенную на резонанс акустическую систему используют для прослушивания музыкальных произведений. Музыкальные фрагменты выбирают в соответствии с программой и ожидаемым результатом психофизиологического воздействия.

Оценка эффективности воздействия резонансной акустической системы при озвучивании помещения предлагаемым способом исследована в сравнении с традиционными акустическими системами и оценена путем электроэнцефалографического обследования испытуемых. Резонатор, содержащий три громкоговорителя и одну отражающую поверхность в виде диска (дисковый отражатель), настроен на опорную частоту f_оп = 440 Гц, при этом отражатель удален от плоскостей раскрыва громкоговорителей соответственно на 39, 31 и 24 см, что позволяет перекрыть практически весь важный для человека диапазон звуковых частот. В исследовании приняли участие 36 слушателей разных возрастных групп и разных психофизиологических типов. Слушателям предъявляли фрагменты музыкальных произведений длительностью от 10 мин до 2 часов классического и эстрадного репертуара и медитативную музыку.

Результаты электроэнцефалографического обследования слушателей показали, что в среднем наблюдается увеличение на 46% интенсивности альфа-ритма во всех зонах коры головного мозга при прослушивании аудиоматериала по предлагаемому способу озвучивания помещений в сравнении с традиционным способом предъявления (озвучивания) на существующих акустических системах. Полученный результат свидетельствует о повышении стресс-устойчивости мозга, увеличении скорости восстановления нервно-психических функций. Значимо (на 17%) увеличился коэффициент лобно-затылочного градиента активации коры головного мозга и (на 12%) коэффициент межполушарной асимметрии, что свидетельствует о состоянии психической собранности, преобладании режима "ясного сознания" мозга или "оперативного покоя" и, в целом, о существенном позитивном воздействии резонансных характеристик акустической системы на человека.

Предъявленные в дальнейшем музыкальные фрагменты в традиционном представлении акустической системой, с монотонной амплитудно-частотной характеристикой в воспринимаемом человеком диапазоне звуковых частот привели к снижению исследованных показателей активности мозга к исходному уровню.

Способ озвучивания помещений может быть использован в системах звуковоспроизведения, предназначенных для воздействия на психофизиологическое состояние человека. Устанавливают параллельно громкоговорители, устанавливают акустически связанный с громкоговорителями отражатель и подключают систему к источнику звука. Отражатель размещают на таком расстоянии от громкоговорителя, чтобы возбудить стоячую волну на основной частоте для данной пары и ее обертоны. При настройке добиваются получения резонансной амплитудно-частотной характеристики системы в диапазоне восприятия человека с примерно равными амплитудами пиков в области 10²-10⁴Гц. После настройки систему используют для прослушивания музыкального материала. Улучшены характеристики звучания за счет формирования сфероидальной диаграммы направленности системы, расширения частотной характеристики и получения резонансных характеристик звучания. 2 ил.

Способ озвучивания помещений, включающий выделение спектральных компонент электрического сигнала, соответствующих различным полосам частот, преобразование электрических сигналов в звуковые с использованием громкоговорителей, установленных параллельно с заданным отклонением от параллельности, отличающийся тем, что дополнительно используют отражающую поверхность, акустически связанную с громкоговорителями, производят настройку системы, добиваясь установления в каждой паре громкоговоритель - отражающая поверхность стоячей волны на выбранной частоте, при этом формируют амплитудно-частотную характеристику акустической системы в составе громкоговорителя - отражающая поверхность с резонансами на частотах нетранспонированной последовательности интервалов музыкального звукоряда и плоской огибающей в области максимума спектра частот оптимального слухового восприятия.