СПОСОБ И ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ОПТИМИЗАЦИИ ВРЕМЕНИ РЕВЕРБЕРАЦИИ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2009 года по МПК G10K15/08 G01H7/00 

Группа изобретений относится к области приборостроения и предназначена для обработки звуковых сигналов, главным образом, с целью оптимизации времени реверберации при передаче звуковых сигналов.

Известен способ, позволяющий изменять время реверберации звуковых сигналов в помещении путем обработки его внутренних поверхностей звукопоглощающими материалами, а также с помощью размещения в помещении различных звукопоглощающих конструкций [1, с.131-170].

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относится то, что для разных звуковых сигналов оптимальное время реверберации не одинаково. Для музыкальных сигналов оптимальное время реверберации, определяемое по критерию наилучшего субъективного качества звучания сигналов, имеет значительно большую величину, чем оптимальное время реверберации для речи, определяемое по максимуму ее разборчивости [1, с.47-78]. Поэтому акустическая обработка помещений для звуковоспроизведения выполняется различно для концертных залов и лекционных аудиторий, так как оперативно время реверберации в этом случае изменить нельзя. Вследствие этого в залах многоцелевого назначения с естественной акустикой, в которых речь и музыка могут чередоваться (например, театры, кинотеатры и т.д.), время реверберации выбирают компромиссно, а поскольку оно всегда одинаковое, то поэтому, чаще всего, оно не является оптимальным.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному в группе изобретений способу по совокупности признаков является способ, реализованный в тех ревербераторах, которые работают в реальном времени и в которых время реверберации можно изменять (см. приложение 1 в конце описания).

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному устройству в группе изобретений является устройство для создания искусственной реверберации (ревербератор), реализованный на персональном компьютере VST-модуль фирмы Spin Audio Software под названием Room VerbM2 ver.1.0 build 100 (см. приложение 2 в конце описания), который работает в реальном времени и в котором время реверберации можно изменять.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа и устройства для его осуществления, принятых за прототип, относится то, что при их использовании нельзя время реверберации сделать функцией свойств сигнала, нельзя управлять временем реверберации так, чтобы оно изменялось автоматически, становясь оптимальным для каждого нового звука. В прототипе выбранное время реверберации устанавливается для всего фрагмента фонограммы целиком.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Единая задача, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, заключается в повышении качества звучания звуковых сигналов и, главным образом, в повышении разборчивости речевых сигналов, передаваемых при наличии процесса реверберации. Повышение разборчивости речи при наличии реверберационного процесса достигается за счет автоматической оптимизации времени реверберации для каждого отдельного звука. Установлено [1], что величина оптимального времени реверберации зависит от длительности звуков и длительности пауз между звуками. Чем они меньше, тем меньше оптимальное время реверберации.

Единый технический результат, который может быть получен при осуществлении группы изобретений, заключается в том, что в результате обработки передаваемых сигналов время их искусственной реверберации зависит от длительности звучания сигналов и длительности пауз между звуками, изменяясь автоматически таким образом, что время искусственной реверберации обработанного сигнала всегда становится близким к оптимальному значению для каждого передаваемого звука (в результате чего и растет разборчивость речи), а не остается одинаковым и оптимальным в среднем, как в настоящее время.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-способу достигается тем, что как и в известном способе сигнал реверберации создается ревербератором, работающим в реальном времени, но в отличие от прототипа исходный сигнал дополняют сопряженным с ним по Гильберту сигналом, после чего в виде субсигнала выделяют огибающую исходного сигнала, определяя квадратный корень суммы квадратов каждого из пары сопряженных по Гильберту сигналов, затем эту огибающую ограничивают по величине, инвертируют, складывают с постоянным напряжением и перемножают с проинтегрированной огибающей исходного сигнала, а затем перемножают с выходным сигналом ревербератора, полученное произведение масштабно изменяют и складывают с задержанным исходным сигналом, формируя тем самым выходной сигнал.

В качестве примера реализации заявляемого способа предлагается устройство.

Указанный единый технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что известное устройство, представляющее собой ревербератор, работающий в реальном масштабе времени, дополнительно снабжено фазовращателем, двумя блоками возведения в квадрат, двумя перемножителями, тремя сумматорами, блоком извлечения квадратного корня, интегратором, компаратором, инвертором, блоком задержки и масштабным усилителем, причем вход устройства соединен с входами ревербератора, фазовращателя и блока задержки, первый и второй выходы фазовращателя соединены с входами первого и второго блоков возведения в квадрат соответственно, выходы которых соединены с входами первого сумматора, выход первого сумматора соединен с входом блока извлечения квадратного корня, выход которого через компаратор и инвертор соединен с первым входом второго сумматора, на второй вход которого поступает постоянное напряжение, выход второго сумматора соединен с первым входом первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом блока извлечения квадратного корня через интегратор, выход первого перемножителя соединен с первым входом второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом ревербератора, выход второго перемножителя через масштабный усилитель соединен с первым входом третьего сумматора, второй вход которого соединен с выходом блока задержки, выход третьего сумматора образует выход устройства.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог как для способа, так и для устройства, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам как способа, так и устройства заявленной группы изобретений, а определение из числа выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков, позволило определить совокупность существенных по отношению к техническому результату признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, каждый из объектов заявленной группы изобретений соответствует требованию «новизна» действующего законодательства.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявителем проведен дополнительный поиск решений с целью выявления признаков, совпадающих с признаками, отличительными от прототипа, результаты которого показали, что каждый из объектов изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» действующего законодательства.

На фиг.1 представлена структурная схема заявляемого устройства, где 1 - ревербератор; 2 - фазовращатель; 3, 4 - блоки возведения в квадрат; 5, 14, 15 - сумматоры; 6 - блок извлечения квадратного корня; 7 - компаратор; 8 - блок задержки сигнала; 9 - интегратор; 10 - инвертор; 11, 12 - перемножители; 13 - масштабный усилитель.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Заявляемые способ и устройство позволяют увеличить разборчивость речи, при наличии процесса реверберации. Увеличение разборчивости достигается за счет автоматического изменения длительности процесса искусственной реверберации, время которого становится близким к оптимальному времени реверберации для каждого передаваемого звука.

В качестве математической модели исходного звукового сигнала, обрабатываемого заявляемым устройством (фиг.1), принимается выражение

где s_вх(t) - исходный звуковой сигнал; S(t), ϕ(t) - огибающая и текущая фаза звукового сигнала, соответственно, в каждый момент времени они определяют изменение амплитуды и фазы исходного речевого сигнала. В качестве иллюстрации на фиг.2а показаны разные по величине и длительности тональные импульсы.

В качестве математической модели сигнала на выходе ревербератора примем выражение

где k_is_вх(t-τ_i) - одно из слагаемых реверберационного процесса; k_i - коэффициент передачи, определяющий уменьшение i-го слагаемого; τ_i - время задержки i-го слагаемого реверберационного процесса.

Иллюстрация, полученная с помощью компьютера, варианта сигнала на выходе ревербератора (для сигнала, показанного на фиг.2а) показана на фиг.2б.

Покажем, что на выходе устройства формируется звуковой сигнал, у которого длительность процесса реверберации зависит от свойств самого сигнала:

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Входной звуковой сигнал поступает на фазовращатель ФВ (2 на фиг.1), где дополняется сопряженным с ним по Гильберту сигналом

Входной и сопряженный с ним сигналы поступают на блоки возведения в квадрат (3 и 4 на фиг.1). С помощью сумматора С1 (5 на фиг.1) и блока извлечения квадратного корня (6 на фиг.1) по известной формуле вычисляется огибающая:

Для входного сигнала, показанного на фиг.2а, осциллограмма огибающей (5), полученная с помощью компьютера, показана на фиг.2в.

Сигнал огибающей (5) поступает на компаратор (7 на фиг.1) и интегратор (9 на фиг.1).

Компаратор при этом сигнале формирует импульсный сигнал, показанный на фиг.3а

длительность каждого, показанного на фиг.3а, импульса зависит от длительности звуков в исходном сигнале. Сигнал инвертируется (фиг.3б) инвертором (10 на фиг.1). При этом формируется сигнал вида:

Он поступает на сумматор С2 (14 на фиг.1), где к нему прибавляется постоянная составляющая U_пост. В рассмотренном примере U_пост.=0.

На выходе сумматора С2 (14 на фиг.1) формируется сигнал:

Сигнал, формируемый на выходе интегратора (9 на фиг.1), вычисляется по формуле

где Т - постоянная интегрирования.

Иллюстрация, полученная с помощью компьютера, показана на фиг.3в.

Сигналы с выходов сумматора С2 (14 на фиг.1) и интегратора (9 на фиг.1) перемножаются перемножителем П1 (11 на фиг.1), чем формируется сигнал управления сигналом ревербератора (фиг.4а)

Этот сигнал предназначен автоматически изменять длительность реверберационного процесса на выходе устройства. Для этого сигнал ревербератора перемножается с сигналом управления (фиг.4б) перемножителем П2 (12 на фиг.1), а затем поступает на масштабный усилитель (13 на фиг.1). Сигнал с выхода масштабного усилителя

где k_му - коэффициент усиления масштабного усилителя; суммируется сумматором С3 (15 на фиг.1) с входным сигналом, который задержан на время τ блоком задержки (8 на фиг.1):

Тем самым формируется выходной сигнал.

Цель введения задержки - совмещение во времени исходного сигнала и сигнала искусственной реверберации.

Уменьшая величину k_му (делая величину этого коэффициента меньше единицы), можно уменьшить воспринимаемое слушателями время реверберации. Это следует делать в малых залах, чтобы привести в субъективное соответствие с размерами зала воспринимаемое время реверберации.

Величину постоянного напряжения U_пост можно регулировать. Известно, что заметность реверберационного процесса нарастает в процессе звучания сигнала. Поэтому звучание чистого входного сигнала, к которому в паузах добавлен реверберационный процесс, будет звучать не совсем естественно. Для более естественного звучания необходимо, чтобы звучание входного сигнала сопровождалось некоторой долей реверберирующего звука. Эта доля в предлагаемом устройстве определяется величиной постоянного напряжения U_пост, которое в результате перемножения с проинтегрированной огибающей будет определять во время длящегося звука коэффициент передачи для реверберационного процесса.

Автоматическое изменение длительности воспринимаемого слушателями процесса реверберации поясняет фиг.5. Видно, что при уменьшении в определенных пределах длительности звука проинтегрированная огибающая (8) не будет успевать достигать за время длительности короткого звука

Δt_{кор.звука}=t_кон2-t_нач2,

установившегося значения и процесс спадания этой огибающей после окончания сигнала до уровня шума зрительного зала происходит за более короткое время Δt_рев2, то есть

Δt_рев1=t_peв1-t_кон1; Δt_рев2=t_peв2-t_кон2; Δt_рев2<Δt_peв1.

Можно считать, что реверберационный процесс, звучащий с уровнем ниже уровня шума зрительного зала, зрителями на слух уже практически не воспринимается.

Как известно, именно в паузах между звуками звучание реверберационного процесса является наиболее заметным. При этом [1, с.32] для восприятия важен, главным образом, слышимый процесс реверберации.

Примечание. В качестве характеристики акустических свойств помещения принято использовать стандартное время реверберации, которое определяется как время, за которое уровень сигнала после его окончания уменьшается в помещении на 60 дБ. Предлагаемое устройство планируется использовать в помещениях с незначительным временем стандартной реверберации, в которых не обеспечивается оптимальное время реверберации для звукопередачи.

Время интеграции Т интегратора (9 на фиг.1) устанавливают так, чтобы для медленной музыки получить оптимальное по величине время реверберации, а для более быстрой музыки и для речи время реверберации автоматически уменьшается, как это показано на фиг.5.

Авторы считают необходимым также пояснить, что высокая разборчивость будет достигаться после обработки речевых сигналов заявляемым устройством даже при ошибочно большом времени реверберации, установленном в ревербераторе, и даже при ошибочном выборе слишком большого времени интеграции огибающей, в результате чего длительность спада проинтегрированной огибающей (9) может превышать длительность паузы между звуками речи. Разборчивость будет оставаться в этих случаях высокой потому, что на время звучания чистого входного сигнала есть возможность, выбрав U_пост=0, вообще устранить звучание реверберационного процесса. Кроме того, уровень реверберационного звука в паузах входного сигнала можно регулировать величиной коэффициента передачи масштабного усилителя k_му.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующих условий:

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, именно в аналоговой звукотехнике;

- для заявленного изобретения, в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Литература

1. Маньковский B.C. Акустика студий и залов для звуковоспроизведения. - М. Искусство, 1966. - 375 с.

Использование: для оптимизации времени реверберации при передаче звуковых сигналов. Сущность: заключается в том, что исходный сигнал дополняют сопряженным с ним по Гильберту сигналом, после чего в виде субсигнала выделяют огибающую исходного сигнала, определяя квадратный корень суммы квадратов каждого из пары сопряженных по Гильберту сигналов, затем эту огибающую ограничивают по величине, инвертируют, складывают с постоянным напряжением и перемножают с проинтегрированной огибающей исходного сигнала, а затем перемножают с выходным сигналом ревербератора, полученное произведение масштабно изменяют и складывают с задержанным исходным сигналом, формируя тем самым выходной сигнал. Технический результат: повышение качества звучания звуковых сигналов, в том числе, повышение разборчивости речевых сигналов. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ оптимизации времени реверберации при передаче звуковых сигналов, при котором сигнал реверберации создается ревербератором, работающим в реальном времени, отличающийся тем, что исходный сигнал дополняют сопряженным с ним по Гильберту сигналом, после чего в виде субсигнала выделяют огибающую исходного сигнала, определяя квадратный корень суммы квадратов каждого из пары сопряженных по Гильберту сигналов, затем эту огибающую ограничивают по величине, инвертируют, складывают с постоянным напряжением и перемножают с проинтегрированной огибающей исходного сигнала, а затем перемножают с выходным сигналом ревербератора, полученное произведение масштабно изменяют и складывают с задержанным исходным сигналом, формируя тем самым выходной сигнал.2. Устройство для оптимизации времени реверберации при передаче звуковых сигналов, которое включает в себя ревербератор, работающий в реальном масштабе времени, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено фазовращателем, двумя блоками возведения в квадрат, двумя перемножителями, тремя сумматорами, блоком извлечения квадратного корня, интегратором, компаратором, инвертором, блоком задержки и масштабным усилителем, причем вход устройства соединен с входами ревербератора, фазовращателя и блока задержки, первый и второй выходы фазовращателя соединены с входами первого и второго блоков возведения в квадрат соответственно, выходы которых соединены с входами первого сумматора, выход первого сумматора соединен с входом блока извлечения квадратного корня, выход которого через компаратор и инвертор соединен с первым входом второго сумматора, на второй вход которого поступает постоянное напряжение, выход второго сумматора соединен с первым входом первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом блока извлечения квадратного корня через интегратор, выход первого перемножителя соединен с первым входом второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом ревербератора, выход второго перемножителя через масштабный усилитель соединен с первым входом третьего сумматора, второй вход которого соединен с выходом блока задержки, выход третьего сумматора образует выход устройства.