Устройство и способ акустических измерений множества громкоговорителей и системы направленных микрофонов Российский патент 2017 года по МПК H04R5/04 

Данное изобретение относится к акустическим измерениям (измерениям величин, характеризующих звуки и шумы по их различным признакам) громкоговорителей, размещенных в различных положениях в зоне прослушивания и, в частности, к эффективным акустическим измерениям большого числа громкоговорителей в трехмерной конфигурации в зоне прослушивания.

На фиг.2 показана студия акустических испытаний (студия текстового прослушивания) в FraunhoferIIS в Эрлангене, Германия. Эта студия акустических испытаний необходима для проведения тестов прослушивания. Такие тесты прослушивания необходимы для оценки схем аудиокодирования. Для получения сопоставимых и воспроизводимых результатов тестов прослушивания эти тесты должны выполняться в стандартизированных студиях акустических испытаний, подобных показанной на фиг. 2. Эта студия акустических испытаний соответствует инструкции Международного союза электросвязи ITU-RBS 1116-1. В этой студии смонтировано 54 громкоговорителя, образующих трехмерную конфигурацию (архитектуру). Громкоговорители укреплены на круговой двухъярусной ферме, подвешенной к потолку, и на системе направляющих на стене. Большое количество громкоговорителей обеспечивает надлежащую гибкость, необходимую как для научных исследований, так и для изучения существующих и будущих звуковых форматов.

При таком большом количестве громкоговорителей проверка правильности их работы и соединения является сложной и трудоемкой задачей. Обычно каждый громкоговоритель имеет индивидуальныеуставки в акустической системе. Кроме того, существует аудиоматрица, которая позволяет распределять заданные аудиосигналы между заданными громкоговорителями. При этом нельзя гарантировать, что все громкоговорители, кроме жестко зафиксированных на монтажных опорах, установлены в правильном положении. В частности, на фиг.2 колонки громкоговорителей, стоящие на полу, могут быть смещены вперед и назад, влево и вправо и, следовательно, нельзя гарантировать, что в начале теста прослушивания все громкоговорители сориентированы должным образом, что все динамики имеют правильные индивидуальные регулировки, и что аудиоматрица корректно настроена на нужный режим распределения аудиосигналов между громкоговорителями. Несмотря на то, что такие студии акустических испытаний использует множество исследовательских групп, время от времени в них встречаются электротехнические и механические неисправности.

В частности, могут возникать такие неполадки, как:

громкоговорители не включены или не подсоединены;

сигнал подается не на тот громкоговоритель, сигнальный кабель подключен не к тому громкоговорителю;

уровень одного громкоговорителя отрегулирован с ошибкой в системе маршрутизации аудиосигнала или в самом громкоговорителе;

неправильно настроен эквалайзер в системе маршрутизации аудиосигналаили в громкоговорителе;

повреждена одна динамическая головка (один динамик) в многополосной акустической системе;

громкоговоритель неправильно расположен, сориентирован, или какой-либо объект препятствует прохождению звука.

Как правило, ручная настройка технических показателей всей конфигурации (архитектуры) громкоговорителей в зоне прослушивания требует очень много времени. Это время необходимо для отладки вручную положения и ориентации каждого громкоговорителя. Кроме того, каждый громкоговоритель должен быть вручную проверен на соответствие регулировок. Для контроля работоспособности электротехнической схемы маршрутизации сигнала, с одной стороны, и каждого отдельного динамика, с другой стороны, требуется высококвалифицированный специалист, выполняющий тестирование прослушиванием, при котором тест-сигнал возбуждает каждый из громкоговорителей, и эксперт оценивает, основываясь на своем опыте, правильность его работы.

Очевидно, что эта процедура затратив, поскольку требует привлечения высококвалифицированного специалиста. Кроме того, эта процедура избыточно трудоемка, поскольку, как правило, проверка всех громкоговорителей выявляет, что большинство или даже все громкоговорители правильно сориентированы и настроены, но, с другой стороны, этой процедурой нельзя пренебречь, поскольку один или несколько невыявленных сбоев могут свести на нет результаты тестового прослушивания. Наконец, даже если диагностику студии тестового прослушивания проводит опытный эксперт, ошибки, тем не менее, не исключены.

Задачей данного изобретения является создание оптимизированного способа проверки функционирования множества динамиков, установленных в различных положениях в зоне прослушивания.

Поставленная цель достигается за счет применения устройства для акустических измерений множества громкоговорителей, имеющих различное расположение, включающего генератор тест-сигналов для подачи испытательного сигнала для громкоговорителя; микрофонное устройство, предназначенное для приема множества различных звуковых сигналов в ответ на один или более сигналов громкоговорителя, излученных одним из множества громкоговорителей в качестве отклика на тест-сигнал; контроллер, предназначенный для управления излучением звуковых сигналов множеством громкоговорителей и для обработки множества различных звуковых сигналов таким образом, что комбинация звуковых сигналов, зарегистрированных микрофонным устройством, соотносится с каждым из множества громкоговорителей в ответ на тест-сигнал; и блок оценивания комбинации звуковых сигналов для каждого громкоговорителя с нахождением по меньшей мере одного параметра каждого громкоговорителя для отражения состояния громкоговорителя, как минимум, через этот один параметр громкоговорителя; при этом микрофонное устройство включает систему направленных микрофонов, содержащую три пары микрофонов, размещенных на трех пространственных осях; блок оценивания выполнен с возможностью формирования всенаправленного сигнала давления с использованием сигналов, принятых тремя парами микрофонов или с использованием дополнительного микрофона, установленного в точке взаимного пересечения указанных трех пространственных осей; вычисления расстояния между системой направленных микрофонов и громкоговорителем с использованием всенаправленного сигнала давления, имеющего первую продолжительность протяженностью в максимум всенаправленного сигнала давления; вычисления импульсной характеристики или передаточной функции громкоговорителя с использованием принятого от одного индивидуального микрофона из трех пар микрофонов сигнала, имеющего третью продолжительность протяженностью по меньшей мере в максимум прямого звука, включая ранние отражения, превышающую по длительности первую продолжительность; и вычисления направления прихода звука от громкоговорителя с использованием принятых от всех микрофонов сигналов, имеющих вторую продолжительность, большую, чем первая продолжительность, и меньшую, чем третья продолжительность, причем вторая продолжительность содержит значения до раннего отражения, не включая ранние отражения или включая ранние отражения в ослабленном состоянии, определяемом боковой частью оконной функции.

Контроллер выполнен с возможностью автоматического управления генератором тест-сигналов и микрофонным устройством для последовательной выработки испытательных сигналов и последовательного приема звуковых сигналов таким образом, что комбинация звуковых сигналов соотносится с конкретным громкоговорителем, излучившим тест-сигнал громкоговорителя непосредственно перед приемом комбинации звуковых сигналов; или в котором контроллер выполнен с возможностью автоматического управления генератором тест-сигналов и микрофонным устройством для параллельной выработки тест-сигналов и для демультиплексирования звуковых сигналов таким образом, что комбинация звуковых сигналов соотносится с конкретным громкоговорителем, ассоциированным с определенной полосой частот комбинации звуковых сигналов или ассоциированным с определенной кодовой последовательностью в тест-сигнале с кодовым мультиплексированием.

Блок оценивания выполнен с возможностью вычисления расстояния между местоположением громкоговорителя и микрофонным устройством с использованием величины задержки по времени максимума импульсной характеристики звукового сигнала при прохождении между громкоговорителем и микрофонным устройством и с использованием скорости звука в воздухе.

Контроллер выполнен с возможностью проведения установочных измерений с использованием тест-сигнала посредством конфигурации, где аналоговый выход первого цифроаналогового преобразователя, сопряженного с громкоговорителем, соединен с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя, сопряженного с микрофонным устройством, для определения данных установочных измерений; а блок оценивания выполнен с возможностью расчета передаточной функции или импульсной характеристики выбранного микрофона из множества микрофонов с использованием данных установочных измерений для определения импульсной характеристики или передаточной функции громкоговорителя как характеристики громкоговорителя.

Блок оценивания выполнен с возможностью определения направления прихода (DOA) звука, излученного громкоговорителем с использованием комбинации звуковых сигналов посредством выполнения преобразования набора тест-сигналов в сигналы В-формата, имеющие всенаправленный сигнал (W) и по меньшей мере два сигнала колебательной скорости частиц (X, Y, Z) как минимум для двух ортогональных направлений в пространстве; посредством определения направления прихода звука для каждого элемента разрешения по частоте из множества элементов разрешения по частоте; и посредством определения направления прихода звука, излученного громкоговорителем, с использованием результатов определения направления прихода звука для множества элементов разрешения по частоте.

Блок оценивания выполнен с возможностью вычисления импульсной характеристики каждого микрофона, нахождения максимума каждой импульсной характеристики; применения оконного взвешивания каждой импульсной характеристики или микрофонного сигнала, отличного от импульсной характеристики, при этом центр окна или точка в пределах 50 процентов длины окна, расположенная в непосредственной близости от центра окна, совмещаются с максимумом каждой импульсной характеристики или с временем в микрофонном сигнале, соответствующем такому максимуму, с формированием оконного фрейма для каждого звукового сигнала; и преобразования каждого фрейма из временной области в спектральную область.

Блок оценивания) выполнен с возможностью определения направления прихода звука, путем вычисления действительной пространственной плотности мощности, имеющей значение для каждого угла подъема и для каждого угла азимута, и имитации множества идеальных величин пространственной плотности мощности (SPD) с нулевым средним белым гауссовым шумом микрофона для различных углов подъема и азимута, а также осуществления подбора углов подъема и азимута, характеризующих эталонную пространственную плотность мощности, которая оптимально соответствовала бы реальной пространственной плотности мощности.

Блок оценивания выполнен с возможностью сравнения по меньшей мере одной характеристики громкоговорителя с ожидаемой характеристикой громкоговорителя и определения громкоговорителя, имеющего по меньшей мере одну характеристику громкоговорителя, равнозначную ожидаемой характеристике громкоговорителя, как работоспособного громкоговорителя, и определения громкоговорителя, не имеющего по меньшей мере одну характеристику громкоговорителя, соответствующую ожидаемой характеристике громкоговорителя, как неработоспособного громкоговорителя.

Поставленная цель достигается также за счет способа акустических измерений множества громкоговорителей, имеющих различное местоположение в акустическом пространстве, включающий: генерирование испытательного сигнала для громкоговорителя; прием множества различных звуковых сигналов микрофонным устройством как реакция на излучение одного или более сигналов громкоговорителя одним громкоговорителем из множества громкоговорителей как отклик на испытательный сигнал; управление излучением сигналов громкоговорителя множеством громкоговорителей и обработка множества различных звуковых сигналов таким образом, что комбинация звуковых сигналов, зафиксированная микрофонным устройством, соотносится с каждым громкоговорителем из множества громкоговорителей как отклик на испытательный сигнал; и оценивание комбинации звуковых сигналов каждого из громкоговорителей для определения, по меньшей мере, одной характеристики громкоговорителя для каждого громкоговорителя и определение состояния данного громкоговорителя с помощью, по меньшей мере, этой одной характеристики громкоговорителя; при этом указанное микрофонное устройство включает систему направленных микрофонов, содержащую три пары микрофонов, размещенных на трех пространственных осях; при этом оценивание включает формирование всенаправленного сигнала давления с использованием сигналов, принятых тремя парами микрофонов или с использованием дополнительного микрофона, установленного в точке взаимного пересечения указанных трех пространственных осей; вычисление расстояния между системой направленных микрофонов и громкоговорителем с использованием всенаправленного сигнала давления, имеющего первую продолжительность протяженностью в максимум всенаправленного сигнала давления; вычисление импульсной характеристики или передаточной функции громкоговорителя с использованием принятого от одного индивидуального микрофона из трех пар микрофонов сигнала, имеющего третью продолжительность протяженностью, по меньшей мере, в максимум прямого звука, включая ранние отражения, превышающую по длительности первую продолжительность; и вычисление направления прихода звука от громкоговорителя с использованием принятых от всех микрофонов сигналов, имеющих вторую продолжительность, большую, чем первая продолжительность, и меньшую, чем третья продолжительность, причем вторая продолжительность содержит значения до раннего отражения, не включая ранние отражения или включая ранние отражения в ослабленном состоянии, определяемом боковой частью оконной функции.

Способ осуществляется с помощью носителя информации, содержащего компьютерную программу.

Предложена также система направленных микрофонов, включающая три пары микрофонов, механический штатив для размещения каждой пары микрофонов на одной пространственной оси из трех взаимно ортогональных пространственных осей, из которых две пространственные оси расположены горизонтально и одна пространственная ось расположена вертикально, и седьмой микрофон, размещенный в месте взаимного пересечения трех пространственных осей; при этом механический штатив имеет в составе первую горизонтальную механическую ось, вторую горизонтальную механическую ось и третью, вертикальную, механическую ось, смещенную от центра относительно вертикальной пространственной ось, проходящей через точку пересечения первой горизонтальной механической оси и второй горизонтальной механической оси, при этом верхняя горизонтальная консоль и нижняя горизонтальная консоль сопряжены с третьей вертикальной механической осью и параллельны первой горизонтальной механической оси или второй горизонтальной механической оси, а третья вертикальная механическая ось закреплена на одной из горизонтальных механических осей с местом крепления между гнездами седьмого микрофона и соседнего с ним микрофона одной из трех пар микрофонов.

Система направленных микрофонов дополнительно включает лазерное устройство для позиционирования системы направленных микрофонов в студии акустических испытаний, жестко смонтированное на механическом штативе таким образом, что лазерный луч проходит параллельно или совпадает с одной из горизонтальных осей.

Расстояние между микрофонами каждой пары микрофонов составляет от 5 см до 8 см.

Все микрофоны являются микрофонами давления, установленными на механическом штативе таким образом, чтобы микрофоны были сориентированы в одном направлении.

Настоящее изобретение основывается на заключении, что эффективность и точность тестов прослушивания может быть значительно повышена за счет передачи функций контроля технических параметров архитектуры громкоговорителей в акустическом пространстве электротехническому устройству. Это устройство включает генератор тест-сигналов, вырабатывающий испытательный сигнал для громкоговорителей, микрофонное устройство для снятия множества индивидуальных микрофонных сигналов, контроллер, управляющий сигналами, излучаемыми громкоговорителями, и обрабатывающий звуковой сигнал, фиксируемый микрофонным устройством, таким образом, что комбинация звуковых сигналов, зарегистрированных микрофонным устройством, соотносится с каждым громкоговорителем, и блок оценивания, рассчитывающий комбинацию звуковых сигналов для каждого громкоговорителя с нахождением, по меньшей мере, одного параметра каждого громкоговорителя для отражения состояния громкоговорителя, как минимум, через этот один параметр громкоговорителя.

Преимущество данного изобретения состоит в том, что оно позволяет осуществлять контроль громкоговорителей, размещенных в акустическом пространстве, персоналом, не требующим специальной подготовки, благодаря тому, что блок оценивания отображает состояния „OK/non-OK", и работник без специальной квалификации может проверить отдельно громкоговоритель в состоянии „non-OK" и оставаться уверенным в работоспособности громкоговорителей с индикацией состояния „OK".

Дополнительным преимуществом изобретения является гибкость в использовании и расчете индивидуальных характеристик одного или, предпочтительно, нескольких выбранных громкоговорителей, благодаря чему может быть составлена полная картина состояния разных громкоговорителей. Это выполняется путем подачи, преимущественно - последовательной, тестового сигнала на каждый громкоговоритель и записи сигналов громкоговорителей, преимущественно - с использованием системы направленных микрофонов. Таким образом, может быть автоматически рассчитано направление прихода сигнала и, следовательно, положение конкретного громкоговорителя в пространстве даже при трехмерной схеме размещения акустических систем.

Предусмотрен альтернативный вариант реализации, при котором контроллер выполнен с возможностью автоматического управления генератором тест-сигналов и системой микрофонов посредством параллельной (одновременной) генерации тест-сигналов с последующим демультиплексированием звуковых сигналов, при котором данное сочетание звуковых сигналов соотнесено с заданным громкоговорителем, который в свою очередь соотнесен с определенной полосой частот данного сочетания звуковых сигналов, или который соотнесен с определенной кодовой последовательностью в кодированном мультиплексированном тест-сигнале".

Характерно, что последний существенный признак не может быть реализован даже квалифицированным персоналом, принимая во внимание высокую точность, которую обеспечивает предпочтительный вариант осуществления изобретения.

В предпочтительном конструктивном решении испытательная система с множеством громкоговорителей способна точно определять координаты источника звука с допустимой погрешностью до ±3° для угла подъема (возвышения) и угла азимута. Точность измерения дальности составляет ±4 см, а амплитудная характеристика каждого громкоговорителя может быть зарегистрирована с точностью до ±1 дБ для каждого громкоговорителя в студии акустических испытаний. Предпочтительной версией системы предусмотрено сравнение результата каждого измерения с установочным показателем, что обеспечивает распознавание громкоговорителей, работающих за пределами допусков.

Дополнительно, благодаря обоснованному времени измерения, составляющему не более 10 сек на один громкоговоритель, включая обработку, система, относящаяся к изобретению, применима на практике, даже когда необходимы акустические измерения большого числа громкоговорителей. При этом ориентация громкоговорителей не регламентирована какой-либо строго установленной конфигурацией, поскольку предлагаемая концепция акустических измерений применима к любой произвольной трехмерной архитектуре акустических систем.

Предпочтительные технические решения по настоящему изобретению будут рассмотрены далее со ссылкой на прилагаемые фигуры, где: на фиг.1 показана принципиальная блочная схема устройства для акустических измерений множества громкоговорителей; на фиг.2 показан вариант компоновки студии акустических испытаний (тестового прослушивания), оборудованной 9 главными громкоговорителями, 2 сабвуферами (динамическими головками сверхнизких частот) и 43 громкоговорителями, смонтированными на стенах и на двух ярусах круговых ферм; на фиг.3 показана предпочтительная конструкция трехмерной системы направленных микрофонов; на фиг.4а представлена блок-схема этапов процесса определения направления источника поступления звука с применением алгоритма DirAC (кодирования направленного звука); на фиг.4b даны уравнения расчета сигналов колебательных (акустических) скоростей частиц в различных направлениях с использованием системы направленных микрофонов на фиг.3; на фиг.4с дано уравнение расчета всенаправленного звукового сигнала для В-формата при отсутствии центрального микрофона; на фиг.4d дана блок-схема шагов алгоритма трехмерной локализации; на фиг.4е показан график действительной пространственной плотности мощности громкоговорителя; на фиг.5 дана схема аппаратного окружения громкоговорителей и микрофонов; на фиг.6а дана блок-схема цикла установочных (контрольных) акустических измерений; на фиг.6и дана блок-схема цикла испытательных акустических измерений; на фиг.6с проиллюстрирован вариант результатов акустического измерения в виде диаграммы амплитудной характеристики, где в определенном диапазоне частот отклонения превышают допуски; на фиг.7 дана блок-схема предпочтительной процедуры расчета нескольких характеристик громкоговорителя; на фиг.8 дан график, иллюстрирующий пример импульсной характеристики и длины окна для определения направления источника звука; и на фиг.9 показано соотношение по длительности составляющих импульсной характеристики, необходимых для измерения расстояния, направления прихода и импульсной / передаточной функции громкоговорителя.

На фиг.1 изображено устройство для акустических измерений множества громкоговорителей, размещенных в различных положениях в акустическом пространстве. Устройство включает генератор тест-сигналов 10, вырабатывающий испытательный сигнал для громкоговорителя. В приведенном примере N громкоговорителей подключены к выходам на громкоговорители 10а, …, 10b генератора тест-сигналов.

Кроме того, рассматриваемое устройство включает микрофонное устройство 12. Микрофонное устройство 12 может быть конструктивно решено в виде системы множества индивидуальных направленных микрофонов, или в виде одного микрофона, последовательно перемещаемого между различными позициями, для измерения последовательного отклика громкоговорителя на последовательно посылаемый тест-сигнал, при этом микрофонное устройство предназначено для приема одного или более ответных звуковых сигналов, излучаемых одним из множества громкоговорителей как отклик на одни или более тест-сигналов.

Далее, контроллер 14 предназначен для управления излучением звуковых сигналов множеством громкоговорителей и для обработки звуковых сигналов, принятых микрофонным устройством, таким образом, что комбинация звуковых сигналов, зарегистрированных микрофонным устройством, соотносится с каждым из множества громкоговорителей в ответ на одни или более тест-сигналов. Контроллер 14 соединен с микрофонным устройством посредством сигнальных линий 13а, 13b, 13с. При использовании микрофонного устройства с одиночным микрофоном, последовательно перемещаемым между различными позициями, достаточно одной линии 13а.

Кроме того, устройство для акустических измерений включает блок оценивания 16, определяющий комбинацию звуковых сигналов для каждого громкоговорителя с нахождением, по меньшей мере, одного параметра каждого громкоговорителя для отражения состояния громкоговорителя, как минимум, через этот один параметр громкоговорителя. Блок оценивания соединен с контроллером линией связи 17, которая предусматривает одностороннюю связь контроллера с блоком оценивания, или двухстороннюю связь, если блок оценивания передает информацию контроллеру. Блок оценивания обеспечивает индикацию работоспособности, т.е. - рабочее или нерабочее состояние, каждого громкоговорителя.

Контроллер 14 преимущественно предназначен для автоматического выполнения определенных алгоритмов акустических измерений для каждого громкоговорителя. В частности, контроллер управляет подачей испытательных сигналов генератором тест-сигналов. Кроме того, одновременно с началом измерительного цикла контроллер регистрирует сигналы, принимаемые микрофонным устройством и контурами, сопряженными с микрофонным устройством. По завершении измерения тест-сигнала громкоговорителя контроллер обрабатывает звуковые сигналы, принятые каждым из микрофонов, и, например, сохраняет их, соотнося с конкретным излучившим данный тест-сигнал громкоговорителем, или, если быть точнее, с тестируемым устройством. Ка говорилось выше, необходимо подтвердить, является ли данный громкоговоритель, принявший тест-сигнал, фактически тем громкоговорителем, который в итоге излучил звуковой сигнал, соответствующий конкретному тест-сигналу. Такое соответствие проверяют путем расчета расстояния или направления прихода звука, излученного громкоговорителем как отклик на испытательный сигнал, с предпочтительным применением системы направленных микрофонов.

Контроллер рассчитан на возможность одновременного выполнения акустических измерений нескольких или всех громкоговорителей. Для этого генератор тест-сигналов предусматривает выработку разных испытательных сигналов для разных громкоговорителей. Рекомендуется, чтобы тест-сигналы были, по крайней мере, частично, взаимно ортогональны. Такая ортогональность может быть достигнута за счет использования неперекрывающихся частотных полос при частотном мультиплексировании или разных кодов при кодовом мультиплексировании или других аналогичных схем. Блок оценивания направляет разделенные тест-сигналы на разные громкоговорители, задавая, например, определенному громкоговорителю определенную полосу частот или определенный код по аналогии с временным разделением при последовательном тестировании, когда определенный громкоговоритель соотносится с определенным квантом времени.

Таким образом, контроллер автоматически управляет генератором тест-сигналов и обрабатывает сигналы, принятые микрофонным устройством, чтобы, например, последовательно, генерировать испытательные сигналы и последовательно принимать звуковые сигналы, определенная комбинация которых соотнесена с конкретным громкоговорителем, излучившим тест-сигнал громкоговорителя непосредственно перед приемом данной комбинации звуковых сигналов системой направленных микрофонов.

На фиг.5 представлено полное схемное решение, включающее систему маршрутизации аудиосигнала, громкоговорители, цифроаналоговый преобразователь, аналого-цифровые преобразователи и трехмерную систему направленных микрофонов. В частности, на фиг.5 отображены система маршрутизации аудиосигнала 50 и цифроаналоговый преобразователь входного тест-сигнала громкоговорителя 51. Кроме того, в компоновку включен аналого-цифровой преобразователь 52, сопряженный с аналоговыми выходами каждого из направленных микрофонов, объединенных в трехмерную систему 12. Индивидуальные громкоговорители обозначены как 54а, …, 54b. В аппаратные средства могут входить блок дистанционного управления 55 системой маршрутизации аудиосигнала 50 и компьютер 56, сопряженный с системой акустических измерений. Конкретные виды линий связи в предпочтительной аппаратной реализации показаны на фиг.5, где „MADI" обозначает формат „многоканального аудио/цифрового интерфейса", а „ADAT" обозначает формат передачи аудиоданных по оптическому кабелю (AlesisDigitalAudioTape, букв. - цифровая аудиолента „Alesis"). Остальные аббревиатуры хорошо известны в профессиональной сфере. Генератор тест-сигналов 10, контроллер 14 и блок оценивания 16 на фиг.1 предпочтительно встраивают в компьютер 56 на фиг.5, а также - в процессор дистанционного управления 55 на фиг.5.

Весь комплекс акустических измерений преимущественно выполняют на компьютере, через который управляют громкоговорителями и аппаратно-программными средствами. Таким образом обеспечивается отладка всей технологической цепочки - от схемотехники до акустической обработки сигналов - с компьютера через систему маршрутизации аудиосигналов и громкоговорители до микрофонного устройства в положении прослушивания. Преимуществом такой компоновки является охват всех возможных погрешностей в подобном тракте обработки сигналов. Одиночное соединение 57 пифро-аналогового преобразователя 51 с аналого-пифровым преобразователем 52 используется для измерения акустической задержки между громкоговорителями и микрофонным устройством и может быть использовано для выдачи опорного сигнала X, как показано на фиг.7, блоку оценивания 16 на фиг.1 для обеспечения возможности расчета передаточной функции или отклика каждого микрофона на импульсное возмущение от выбранного громкоговорителя посредством обычной свертки. В частности, на фиг.7 показан шаг 70, на котором устройство на фиг.1 измеряет микрофонный сигнал Y и измеряет опорный сигнал X, используя короткозамкнутое соединение 57 на фиг.5. Далее, на шаге 71 возможен расчет передаточной функции Н в частотной области путем деления значений частотной области, или расчет импульсной характеристики h(t) во временной области посредством свертки. При том, что передаточная функция H(f) уже является характеристикой громкоговорителя, могут быть рассчитаны другие параметры громкоговорителя, приведенные в качестве примера на фиг.7. Такими дополнительными параметрами являются, например, импульсная характеристика во временной области h(t), вычисляемая с использованием обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ) передаточной функции. Как вариант может быть рассчитана также амплитудная характеристика, представляющая собой модуль комплексной передаточной функции. Дополнительно можно вычислить фазу как функцию от частоты или групповую задержку т, как первую производную от фазы, рассчитанной по частоте. Еще одним параметром громкоговорителя служит кривая зависимости энергии от времени, и т.п., как показатель распределения энергии отклика на импульсное возмущение. Другими важными показателями являются расстояние между громкоговорителем и микрофоном, а также направление поступления звукового сигнала на микрофон, рассчитываемая с использованием алгоритма DirAC, что будет рассмотрено позже.

На фиг.1 показана автоматическая испытательная система с множеством громкоговорителей, которая, рассчитывая положение и амплитудную характеристику каждого громкоговорителя, контролирует возможное возникновение разнообразных сбоев, названных выше. Все подобные отклонения выявляют при выполнении шагов постпроцессинга (доработки) с помощью блока оценивания 16 на фиг.1. Для этого блок оценивания, предпочтительно, должен рассчитать импульсные характеристики помещения на основе микрофонных сигналов, зарегистрированных каждым микрофоном давления в трехмерной системе направленных микрофонов на фиг.3.

В качестве испытательного сигнала преимущественно используют одиночный логарифмический синусоидальный свип-сигнал (колебание постоянной амплитуды с непрерывно меняющейся частотой), который раздельно воспроизводится каждым тестируемым громкоговорителем. Такое логарифмическое гармоническое качание частоты, предпочтительно одинаковое для каждого выбранного громкоговорителя, вырабатывается генератором тест-сигналов 10 на фиг.1. Особое преимущество применения подобного одиночного тест-сигнала для проверки всех рассогласований состоит в том, что при нем значительно сокращается полное испытательное время - примерно до 10 секунд на один громкоговоритель, включая обработку.

Измерение импульсных характеристик, рассмотренное в контексте фиг. 7, выполняется предпочтительно с использованием логарифмического синусоидального свип-сигнала, поскольку такой испытательный сигнал оптимален в практике акустических измерений с точки зрения благоприятного соотношения сигнал-шум, низких частот, отсутствия избыточной энергии на высоких частотах (сигнал не повреждает динамики верхних частот), приемлемого пик-фактора (коэффициент амплитуды) и некритичности нелинейных режимов.

При этом могут быть использованы также последовательности импульсов максимальной продолжительности (MLS), однако логарифмическое синусоидальное качание имеет преимущество по коэффициенту амплитуды и реакции на нелинейность. Кроме того, высокий уровень энергии в верхнем диапазоне частот может приводить к повреждению громкоговорителей, в то время как логарифмическое гармоническое качание частот обладает меньшей энергией в верхнем диапазоне, что также является преимуществом свип-сигнала.

Фигуры 4а-4е иллюстрируют обсуждаемое далее преимущество применения алгоритма кодирования направленного звука DirAC для определения направления прихода звука (DOA), хотя не исключается использование для этого других алгоритмов. На фиг.4а схематично показаны система из 7 направленных микрофонов 12, блок обработки 40 и блок DirAC 42. При этом блок 40 выполняет кратковременный анализ Фурье каждого микрофонного сигнала, после чего преобразует эти, предпочтительно, 7 микрофонных сигналов в В-формат (Би-формат), получая однин всенаправленный сигнал W и три раздельных сигнала X, Y, Z с колебательными (акустическими) скоростями частиц в трех пространственных взаимно ортогональных направлениях X, Y, Z.

Алгоритм кодирования направленного звука DirAC представляет собой эффективное средство фиксирования и воспроизведения объемного звука на основе сигнала понижающего микширования и служебной информации, то есть - исходя из направления прихода звука (DOA) и диффузности звукового поля. DirAC выполняют в области дискретного быстрого преобразования Фурье (ДБПФ / DSTFT), результатом чего является спектральное представление сигналов во времени. Блок-схема на фиг. 4а иллюстрирует основные шаги определения DOA с помощью анализа DirAC. Как правило, выполнение DirAC требует входные сигналы в В-формате, содержащие звуковое давление и вектор колебательной скорости частиц, измеренный в одной точке пространства. Из этих данных можно рассчитать активный вектор интенсивности. Этот вектор описывает направление и амплитуду результирующего потока энергии, характеризующего акустическое поле в месте замера. Направление прихода, DOA, звука выводят из вектора интенсивности, используя направление, противоположное данному, при этом DOA выражают, например, величиной азимута и угла подъема (возвышения) в стандартной сферической системе координат. Безусловно, могут быть использованы и другие системы координат. Сигнал требуемого В-формата получают, используя трехмерную систему из 7 направленных микрофонов, как показано на фиг. 3. Сигнал звукового давления для выполнения DirAC фиксирует центральный микрофон R7 на фиг.3, а составляющие вектора колебательной скорости частиц рассчитывают из разности давлений между датчиками, противолежащими по трем осям декартовой системы координат. Так, на фиг.4b даны уравнения расчета вектора скорости звука U(k, n), состоящего из трех компонент U_x, U_y и U_z.

В приведенных уравнениях переменная Pi обозначает сигнал звукового давления от микрофона R1 на фиг.3 а, например, R₃ обозначает сигнал звукового давления от микрофона R₃ на фиг.3. Другие обозначения и индексы на фиг.4b также соответствуют обозначениям и индексам на фиг.3, где, кроме того, k обозначает частоту, и n обозначает временной блок. Все величины измеряют в одной точке пространства. Вектор колебательной скорости частиц измеряют по двум или более направлениям. Для измерения звукового давления Р(к, n) би-форматного сигнала используют выходной сигнал центрального микрофона R7. При отсутствии центрального микрофона параметр Р(к, n) можно рассчитать, суммируя выходные сигналы имеющихся в наличии датчиков, как показано на фиг.4с. Обратим внимание, эти же уравнения применимы к двухмерным и одномерным конфигурациям. В подобных случаях составляющие скорости на фиг. 4Ь вычисляют только для выбранных направлений. Далее, обратим внимание на то, что сигнал В-формата может быть рассчитан этим же способом во временной области. Для этого все сигналы частотной области замещают соответствующими сигналами временной области. Еще один способ формирования би-форматного сигнал с помощью системы направленных микрофонов состоит в применении направленных датчиков для определения составляющих колебательной скорости частиц. Фактически, каждая компонента скорости частиц может быть измерена напрямую с помощью двунаправленного микрофона (так называемого микрофон с направленностью в форме восьмерки). В этом случае каждую пару противоположных датчиков на фиг.3 заменяют двунаправленным датчиком, расположенным вдоль соответствующей оси. Выходные сигналы двунаправленных датчиков прямо соответствуют искомым составляющим скорости.

На фиг.4d показана последовательность шагов по определению направления прихода звука (DOA), отображаемого через азимут, с одной стороны, и через угол подъема, с другой стороны. На первом шаге 43 измеряют импульсную характеристику для вычисления импульсной передаточной характеристики (оценки отклика на импульсное возмущение) каждого микрофона. На следующем шаге выполняют оконное взвешивание максимума каждой импульсной характеристики, как в примере на фиг.8, где максимум обозначен 80. Далее, на шаге 45 фиг.4d оконные отсчеты преобразуют в частотную область. В частотной области на этом шаге выполняют алгоритм кодирования направленного звука DirAC для определения направления прихода звука DOA в каждом, например, из 20 или более элементов частотного разрешения. Рекомендуется использовать только короткие окна, длиной, например, не более 512 отсчетов, как показано на фиг.8 - FFT (БПФ) 512, чтобы в такое окно для использования входил только прямой звук, с максимумом 80, до появления ранних звукоотражений и, предпочтительно, исключая ранние звукоотражения. В результате эта процедура обеспечивает точное определение DOA, поскольку в ней используют только звук от источника с индивидуальным местоположением без реверберации.

Затем на шаге 46 вычисляют так называемую пространственную плотность мощности (SPD), являющуюся показателем меры звуковой энергии для каждого установленного DOA.

На фиг.4е наглядно представлена измеренная SPD для громкоговорителя в положении с углом подъема и азимутом, равными 0°. Измеренная пространственная плотность мощности SPD показывает, основная энергия концентрируется вокруг углов, соответствующих координатам громкоговорителя. В идеальных динамических моделях, где отсутствуют микрофонные шумы, для нахождения местоположения громкоговорителя достаточно определить максимальную SPD. Тем не менее, на практике максимальная SPD не обязательно соответствует подлинному местоположению громкоговорителя, что обусловлено погрешностями измерений. В силу этого, для каждого DOA имитируют предполагаемую SPD с нулевым средним белым гауссовым (нормально распределенным) шумом микрофона. Путем сравнения идеальной SPD с измеренной SPD (пример на фиг.4е) определяют оптимальную гипотетическую SPD, DOA которой соответствует наиболее вероятному местоположению громкоговорителя.

В нереверберирующей среде пространственную плотность мощности, SPD, преимущественно рассчитывают по мощности микшированного с понижением аудиосигнала в элементах разрешения по времени/частоте для определенных координат по азимуту/углу возвышения. Когда эту процедуру выполняют в реверберирующей среде или когда используются также ранние звукоотражения, вычисляют долговременную пространственную плотность мощности, SPD, по мощности микшированного с понижением аудиосигнала в элементе разрешения по времени/частоте, в котором диффузность, рассчитанная посредством алгоритма DirAC, ниже установленной пороговой величины. Этапроцедураподробноописанав: AES convention paper 7853, October 9, 2009 "Localization of Sound Sources in Reverberant Environments based on Directional Audio Coding Parameters", O. Thiergart, et al.

На фиг.3 изображена система направленных микрофонов, состоящая из трех пар микрофонов. Первая пара микрофонов R1 и R3 расположена на первой горизонтальной оси прямоугольной системы координат. Вторая пара микрофонов R2 и R4 установлена на второй горизонтальной оси. Третья пара микрофонов R5 и R6 размещена на вертикальной оси, ортогональной относительно двух взаимно ортогональных горизонтальных осей.

Система направленных микрофонов крепится на механическом штативе удерживающем каждую пару микрофонов на одной из трех взаимно ортогональных пространственных осей. Дополнительно система направленных микрофонов оснащена лазерным устройством 30 для ее позиционирования в акустическом пространстве, причем, лазерное устройство жестко соединено с механической опорой штатива таким образом, что лазерный луч параллелен или совмещен с одной из горизонтальных осей. Система направленных микрофонов предпочтительно дополняется седьмым микрофоном R7, устанавливаемым в центре пересечения трех осей. Как показано на фиг.3, штатив состоит из механических кронштейнов первой 31 и второй 32 горизонтальных осей и стойки третьей, вертикальной, оси 33. Третья, вертикальная, стойка 33 смонтирована в центре из расчета прохождения „виртуальной" вертикальной оси через микрофоны R5 и R6. Третья, вертикальная, стойка (механическая ось) 33 имеет верхнюю горизонтальную консоль 34а и нижнюю горизонтальную консоль 34Ь, параллельные горизонтальной оси 32 / лежащие в горизонтальных плоскостях, параллельных горизонтальной плоскости осей 31 и 32. Третья, вертикальная, стойка 33 закреплена на одной из горизонтальных осей, в частности, на горизонтальной оси 32, в точке соединения 35. Точка соединения 35 расположена между гнездами седьмого микрофона R7 и соседнего с ним микрофона, например, R2, одной из трех пар микрофонов. Расстояние между микрофонами каждой пары желательно должно составлять от 4 до 10 см, или более предпочтительно - между 5 и 8 см, или оптимально - 6,6 см. Это расстояние может быть одинаковым для каждой из трех пар, однако это не является обязательным условием. Поскольку микрофоны R1-R7 достаточно миниатюрны, элементы штатива должны быть тонкими, чтобы гарантировать акустическую проницаемость. Чтобы обеспечить воспроизводимость результатов, необходимо точное позиционирование как отдельных микрофонов, так и всей системы направленных микрофонов в целом. Последнее требование выполняется благодаря использованию встроенного лазерного перекрестного уровня 30, тогда как первое требование удовлетворяется за счет устойчивого крепления. Для обеспечения точности результатов измерений импульсной характеристики помещения следует использовать микрофоны с пологой амплитудной характеристикой. Более того, для гарантированной воспроизводимости результатов измерений амплитудные характеристики разных микрофонов должны совпадать и не должны значительно изменяться во времени. Микрофоны, страиваемые в систему, это - высококачественные всенаправленные микрофоны DPA 4060. Характеристики такого микрофона, как правило, составляют:

средний уровень шума по шкале А - 26 дБА,re. 20 μРа и динамический диапазон - 97 дБ. Диапазон частот между 20 Гц и 20 кГц - в пределах 2 дБ от номинальной кривой. Штатив выполнен из латуни, что обеспечивает необходимую механическую жесткость и одновременно - отсутствие рассеяния. Использование всенаправленных микрофонов давления в компоновке на фиг.3 более предпочтительно по сравнению с двунаправленными микрофонами (с восьмерочной направленностью), поскольку раздельные всенаправленные микрофоны значительно дешевле по сравнению с двунаправленными микрофонами.

Система измерений в особенности предназначена для выявления изменений в системе по сравнению с расчетным состоянием. Соответственно, в первую очередь выполняется установочное измерение, последовательность которого показана на фиг.6а. Процедуры, описанные на фиг.6а и на фиг.6b, выполняет контроллер 14, показанный на фиг.1. Фиг.6а поясняет ход измерений по каждому громкоговорителю 60, при котором на шаге 61 подают свип-сигнал и регистрируют сигналы семи микрофонов 61. Затем, выдерживают паузу 62, после которой показания измерений анализируют 63 и сохраняют 64. Установочные измерения выполняют после ручного контроля правильности настроек и расположения всех громкоговорителей и их готовности для установочных измерений. Такие установочные измерения проводят один раз, чтобы в дальнейшем многократно использовать.

Контрольные измерения рекомендуется проводить перед каждым тестовым прослушиванием. Полный цикл контрольных измерений представлен на фиг.6b. На шаге 65 считывают регулировки управления. Далее, на шаге 66 выполняют акустические измерения каждого громкоговорителя, воспроизводя свип-сигнал и записывая семь микрофонных сигналов и последующую паузу. После этого, на шаге 67 проводят анализ результатов измерений, и на шаге 68 эти результаты сравнивают с установочным измерением. Затем на шаге 69 определяют, входят ли результаты измерений в область допустимых значений. На шаге 73 результаты акустических измерений могут быть представлены визуально, а на шаге 74 результаты могут быть сохранены.

На фиг.6с проиллюстрирован пример наглядного представления результатов в соответствии с шагом 73 на фиг.6b. Проверку допусков осуществляют, задавая верхний и нижний пределы установочного измерения. Предельные значения задают как начальные параметры измерений. На фиг.6с наглядно представлен результат измерения амплитудной характеристики. Кривая графика 3 - верхний предел установочного измерения, кривая 5 - нижний предел. Кривая графика 4 - текущее измерение. В этом примере видно расхождение по частоте в среднем диапазоне, что визуально отображено графическим интерфейсом пользователя (GUI / ГИП) красным цветом 75. Этот выход за нижний предел отображен также в поле 2. Аналогичным образом графический интерфейс пользователя визуализирует результаты измерения азимута, угла возвышения, расстояния и полярности.

Далее, со ссылкой на фиг.9 будут описаны три основные характеристики, предпочтительно рассчитываемые для каждого громкоговорителя при акустических измерениях множества громкоговорителей. Первой характеристикой громкоговорителя является расстояние. Расстояние рассчитывают, используя сигнал, генерируемый микрофоном R7. Для этого контроллер 14 на фиг.1 управляет измерением опорного сигнала Х и сигнала Y центрального микрофона R7. Затем, как пояснялось на шаге 71, вычисляют передаточную функцию сигнала микрофона R7. При этом вычислении находят максимум импульсной характеристики, рассчитанной на шаге 71, например, 80 на фиг. 8. Далее, время фиксации максимума 80 умножают на скорость звука v, получая расстояние между соответствующим громкоговорителем и системой направленных микрофонов.

Для этого нужен только короткий фрагмент импульсной характеристики, выведенной из сигнала микрофона R7, обозначенный на фиг.9 как „первый сегмент". Этот сегмент длится только от 0 до момента максимума 80, включая этот максимум, но не включая ранние звукоотражения или диффузные реверберации. Наряду с этим подходом может быть применен любой другой способ синхронизации тест-сигнала и отклика микрофона, однако более предпочтительным является использование первого короткого фрагмента импульсной характеристики, рассчитанной из сигнала микрофона R7, в силу эффективности и точности.

Затем, для определения DOA рассчитывают импульсные характеристики всех семи микрофонов, но при этом используют только их второй сегмент, более длинный, чем первый сегмент, причем, этот второй сегмент предпочтительно длится только до ранних звукоотражений и не включает в себя эти ранние звукоотражения. В ином случае ранние отражения могут быть включены во второй сегмент, но в ослабленном виде, определяемом боковым срезом оконной функции, например, формой окна 81 на фиг.8. Боковая область содержит оконные коэффициенты меньше 0,5, или даже меньше 0,3, в отличие от оконных коэффициентов в средней области окна, приближающихся к 1,0. Импульсные характеристики рекомендуется рассчитывать для каждого из микрофонов R1-R7 согласно шагам 70, 71.

Желательно применить оконное взвешивание каждой импульсной характеристики или микрофонного сигнала, отличного от реакции на импульсное возмущение, при этом центр окна или точку в пределах 50 процентов длины окна в непосредственной близости от центра окна совмещают с максимумом каждой импульсной характеристики или с моментом времени в микрофонном сигнале, соответствующим максимуму, чтобы сформировать оконный фрейм для каждого звукового сигнала.

Третью характеристику каждого громкоговорителя рассчитывают, используя сигнал микрофона R5, так как этот микрофон подвержен наименьшему воздействию механической части штатива системы направленных микрофонов, показанной на фиг.3. Третий сегмент импульсной характеристики длиннее второго сегмента и может содержать не только ранние отражения, но и рассеянные отражения, и может длиться значительное время, например, 0,2 мс, включая в себя все звукоотражения в данном акустическом пространстве. Естественно, что когда помещение хорошо защищено от реверберации, импульсная характеристика микрофона R5 приблизится к 0 достаточно быстро. Тем не менее, в любом случае предпочтительнее использовать короткий сегмент импульсной характеристики для измерения расстояния, второй, средний, сегмент - для определения DOA и длинный сегмент использовать для измерения импульсной характеристики/передаточной функции громкоговорителя, как показано в низу фиг.9.

Несмотря на то, что здесь в основном рассматривается оборудование с точки зрения его технического устройства, понятно, что аспекты материальной части тесно связаны с описанием соответствующих способов ее применения, и какое-либо изделие или блок соответствуют особенностям метода или технологической операции. Аналогично, рассматриваемые технологии и рабочие операции непосредственно связаны с соответствующим машинным оборудованием и его элементной базой.

В зависимости от конечного назначения и особенностей практического применения изобретение может быть реализовано в аппаратных или программных средствах. При техническом исполнении могут быть использованы цифровые носители и накопители данных, такие, в частности, как гибкий диск, DVD, CD, ROM, ППЗУ, программируемое ПЗУ, СППЗУ или ФЛЭШ-память, способные хранить электронно считываемые сигналы управления и взаимодействовать с программируемой компьютерной средой таким образом, чтобы мог быть осуществлен соответствующий способ.

Некоторые варианты конструкции согласно данному изобретению имеют в своем составе носитель информации, содержащий электронно считываемые сигналы управления, совместимый с программируемой компьютерной системой и способный участвовать в реализации одного из описанных здесь способов.

В целом данное изобретение может быть реализовано как компьютерный программный продукт с кодом программы, обеспечивающим осуществление одного из предлагаемых способов при условии, что компьютерный программный продукт используется с применением компьютера. Код программы может, например, храниться на машиночитаемом носителе.

Различные варианты реализации включают в себя компьютерную программу, хранящуюся на машиночитаемом носителе, для осуществления одного из описанных здесь способов.

Таким образом, формулируя иначе, относящийся к изобретению способ осуществляется с помощью компьютерной программы, имеющей код программы, обеспечивающий реализацию одного из описанных здесь способов, если компьютерную программу выполняют с использованием компьютера.

Далее, следовательно, техническое исполнение изобретенного способа включает в себя носитель данных (либо цифровой накопитель информации, либо читаемую компьютером среду), содержащий записанную на нем компьютерную программу, предназначенную для осуществления одного из способов, описанных здесь.

Отсюда следует, что реализация изобретения подразумевает наличие потока данных или последовательности сигналов, представляющих компьютерную программу для осуществления одного из описанных здесь способов. Поток данных или последовательность сигналов могут быть рассчитаны на передачу через средства связи, например, Интернет.

Кроме того, реализация включает в себя аппаратные средства, например, компьютер или программируемое логическое устройство, предназначенные или приспособленные для осуществления одного из описанных здесь способов.

Далее, для технического исполнения требуется компьютер с установленной на нем компьютерной программой для осуществления одного из описанных здесь способов.

Некоторые версии конструкции для реализации одной или всех функциональных возможностей описанных здесь способов могут потребовать применения программируемого логического устройства (например, полевой программируемой матрицы логических элементов). В зависимости от назначения версии базовый матричный кристалл может сочетаться с микропроцессором с целью осуществления одного из описанных здесь способов. Как правило, описываемые способы могут быть реализованы с использованием любого аппаратного средства.

Описанные выше конструктивные решения являются только иллюстрациями основных принципов настоящего изобретения. Подразумевается, что для специалистов в данной области возможность внесения изменений и усовершенствований в компоновку и элементы описанной конструкции очевидна. В силу этого, представленные здесь описания и пояснения вариантов реализации изобретения ограничиваются только рамками патентных требований, а не конкретными деталями

ЛИТЕРАТУРА

ITU-R Recommendation-BS. 1116-1, "Methods for the subjective assessment of small impairments in audio systems including multichannel sound systems", 1997, Intern. Telecom Union: Geneva, Switzerland, p. 26.

A. Silzle et al., "Vision and Technique behind the New Studios and Listening Rooms of the Fraunhofer US Audio Laboratory", presented at the AES 126^ convention, Munich, Germany, 2009.

S. Muller, and P. Massarani, "Transfer-Function Measurement with Sweeps", J. Audio Eng. Soc., vol. 49 (2001 June).

Messtechnik der Akustik, ed. M. Mser. 2010, Berlin, Heidelberg: Springer.

V. Pulkki, "Spatial sound reproduction with directional audio coding", Journal of the AES, vol.55,no.6,pp.503-516,2007.

O. Thiergart, R. Schultz-Amling, G. Del Galdo, D. Mahne, and F. Kuech, "Localization of Sound Sources in Reverberant Environments Based on Directional Audio Coding Parameters", presented at the AES 127^ convention. New York, NY, USA, 2009 October 9-12.

J. Merimaa, T. Lokki, T. Peltonen and M. Karjalainen, "Measurement, Analysis, and Visualization of Directional Room Responses," presented at the AES 111^ convention. New York, NY, USA, 2001 September 21-24.

G. Del Galdo, O. Thiergart, and F. Keuch, "Nested microphone array processing for parameter estimation in directional audio coding", in Proc. IEEE Workshop on Applications of Signal Processing to Audio and Acoustics (WASPAA), New Paltz, NY, October 2009, accepted for publication.

F.J. Fahy, Sound Intensity, Essex: Elselvier Science Publishers Ltd., 1989.

A. Silzle and M. Leistner, "Room Acoustic Properties of the New Listening-Test Room of the Fraunhofer US," presented at the AES 126 convention, Munich, Germany, 2009.

ST350 Portable Microphone System, User Manual. "<http://www.soundfield.com/>".

J. Ahonen, V. Pulkki, T. Lokki, "Teleconference Application and B-Format Microphone Array for Directional Audio Coding", presented at the AES 30^th International Conference:

Intelligent Audio Environments, March 2007.

M. Kallinger, F. Kuech, R. Schultz-Amling, G. Del Galdo, J. Ahonen and V. Pulkki, "Analysis and adjustment of planar microphone arrays for application in Directional Audio Coding", presented at the AES 124th convention, Amsterdam, The Netherlands, 2008 May 17-20.

H. Balzert, Lehrbuch der Software-Technik (Software-Entwicklung), 1996, Heidelberg, Berlin, Oxford: SpektrumAkademischerVerlag.

“<http://en.wikipedia.org/wiki/Nassi%E2%80%93 Shneiderman…diagram>” acessed on March, 31st 2010.

R. Schultz-Amling, F. Kuech, M. Kallinger, G. Del Galdo, 1 Ahonen, and V. Pulkki, "Planar Microphone Array Processing for the Analysis and Reproduction of Spatial Audio using Directional Audio Coding", presented at the 124th AES Convention, Amsterdam, The Netherlands, May 2008.

Изобретение относится к акустической метрологии. Устройство для акустических измерений содержит генератор тест-сигналов, микрофоны, контроллер, выполненный с возможностью управления громкоговорителями и обеспечивающий обработку сигналов таким образом, что комбинация звуковых сигналов, принятых микрофоном, соотносится с каждым из множества громкоговорителей. Устройство также содержит блок оценивания, определяющий состояние громкоговорителей. Система направленных микрофонов содержит три пары микрофонов, ориентированных в одном направлении, механический штатив, состоящий из трех взаимно ортогональных пространственных осей, и седьмой микрофон, размещенный в месте взаимного пересечения трех пространственных осей. Также штатив имеет лазерное устройство для позиционирования системы направленных микрофонов. Процессор выполнен с возможностью вычисления расстояния между системой направленных микрофонов и громкоговорителем, расчета импульсной характеристики или передаточной функции громкоговорителя. Блок оценивания позволяет вычислять направление прихода звука с использованием всенаправленного сигнала и сигналов колебательной скорости частиц воздуха и позволяет оценивать пространственную плотность мощности. Технический результат – повышение эффективности и точности акустических измерений. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Устройство для акустических измерений множества громкоговорителей, имеющих различное расположение, включающее генератор тест-сигналов (10) для подачи испытательного сигнала для громкоговорителя; микрофонное устройство (12), предназначенное для приема множества различных звуковых сигналов в ответ на один или более сигналов громкоговорителя, излученных одним из множества громкоговорителей в качестве отклика на тест-сигнал; контроллер (14), предназначенный для управления излучением звуковых сигналов множеством громкоговорителей и для обработки множества различных звуковых сигналов таким образом, что комбинация звуковых сигналов, зарегистрированных микрофонным устройством, соотносится с каждым из множества громкоговорителей в ответ на тест-сигнал; и блок оценивания (16) комбинации звуковых сигналов для каждого громкоговорителя с нахождением по меньшей мере одного параметра каждого громкоговорителя для отражения состояния громкоговорителя как минимум через этот один параметр громкоговорителя; при этом микрофонное устройство включает систему направленных микрофонов, содержащую три пары микрофонов, размещенных на трех пространственных осях; блок оценивания (16) выполнен с возможностью формирования всенаправленного сигнала давления с использованием сигналов, принятых тремя парами микрофонов или с использованием дополнительного микрофона, установленного в точке взаимного пересечения указанных трех пространственных осей; вычисления расстояния между системой направленных микрофонов и громкоговорителем с использованием всенаправленного сигнала давления, имеющего первую продолжительность протяженностью в максимум всенаправленного сигнала давления; вычисления импульсной характеристики или передаточной функции громкоговорителя с использованием принятого от одного индивидуального микрофона из трех пар микрофонов сигнала, имеющего третью продолжительность протяженностью по меньшей мере в максимум прямого звука, включая ранние отражения, превышающую по длительности первую продолжительность; и вычисления направления прихода звука от громкоговорителя с использованием принятых от всех микрофонов сигналов, имеющих вторую продолжительность, большую, чем первая продолжительность, и меньшую, чем третья продолжительность, причем вторая продолжительность содержит значения до раннего отражения, не включая ранние отражения или включая ранние отражения в ослабленном состоянии, определяемом боковой частью оконной функции.

2. Устройство по п. 1, в котором контроллер (14) выполнен с возможностью автоматического управления генератором тест-сигналов (10) и микрофонным устройством (12) для последовательной выработки испытательных сигналов и последовательного приема звуковых сигналов таким образом, что комбинация звуковых сигналов соотносится с конкретным громкоговорителем, излучившим тест-сигнал громкоговорителя непосредственно перед приемом комбинации звуковых сигналов; или в котором контроллер (14) выполнен с возможностью автоматического управления генератором тест-сигналов (10) и микрофонным устройством (12) для параллельной выработки тест-сигналов и для демультиплексирования звуковых сигналов таким образом, что комбинация звуковых сигналов соотносится с конкретным громкоговорителем, ассоциированным с определенной полосой частот комбинации звуковых сигналов или ассоциированным с определенной кодовой последовательностью в тест-сигнале с кодовым мультиплексированием.

3. Устройство по п. 1, в котором блок оценивания (16) выполнен с возможностью вычисления расстояния между местоположением громкоговорителя и микрофонным устройством с использованием величины задержки по времени максимума импульсной характеристики звукового сигнала при прохождении между громкоговорителем и микрофонным устройством и с использованием скорости звука в воздухе.

4. Устройство по п. 1, в котором контроллер (14) выполнен с возможностью проведения установочных измерений с использованием тест-сигнала (70) посредством конфигурации, где аналоговый выход (57) первого цифроаналогового преобразователя (51), сопряженного с громкоговорителем, соединен с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя (52), сопряженного с микрофонным устройством, для определения данных установочных измерений; а блок оценивания (16) выполнен с возможностью расчета передаточной функции или импульсной характеристики выбранного микрофона из множества микрофонов с использованием данных установочных измерений для определения импульсной характеристики или передаточной функции громкоговорителя как характеристики громкоговорителя.

5. Устройство по п. 1, в котором блок оценивания (16) выполнен с возможностью определения направления прихода (DOA) звука, излученного громкоговорителем с использованием комбинации звуковых сигналов посредством выполнения преобразования (40) набора тест-сигналов в сигналы В-формата, имеющие всенаправленный сигнал (W) и по меньшей мере два сигнала колебательной скорости частиц (X, Y, Z) как минимум для двух ортогональных направлений в пространстве; посредством определения направления прихода звука для каждого элемента разрешения по частоте из множества элементов разрешения по частоте; и посредством определения (46, 47) направления прихода звука, излученного громкоговорителем, с использованием результатов определения направления прихода звука для множества элементов разрешения по частоте.

6. Устройство по п. 5, в котором блок оценивания (16) выполнен с возможностью вычисления импульсной характеристики каждого микрофона, нахождения максимума каждой импульсной характеристики; применения оконного взвешивания каждой импульсной характеристики или микрофонного сигнала, отличного от импульсной характеристики, при этом центр окна или точка в пределах 50 процентов длины окна, расположенная в непосредственной близости от центра окна, совмещаются с максимумом каждой импульсной характеристики или с временем в микрофонном сигнале, соответствующем такому максимуму, с формированием оконного фрейма для каждого звукового сигнала; и преобразования каждого фрейма из временной области в спектральную область.

7. Устройство по п. 5, в котором блок оценивания (16) выполнен с возможностью определения направления прихода звука путем вычисления действительной пространственной плотности мощности, имеющей значение для каждого угла подъема и для каждого угла азимута, и имитации множества идеальных величин пространственной плотности мощности (SPD) с нулевым средним белым гауссовым шумом микрофона для различных углов подъема и азимута, а также осуществления подбора (47) углов подъема и азимута, характеризующих эталонную пространственную плотность мощности, которая оптимально соответствовала бы реальной пространственной плотности мощности.

8. Устройство по п. 1, в котором блок оценивания выполнен с возможностью сравнения по меньшей мере одной характеристики громкоговорителя с ожидаемой характеристикой громкоговорителя и определения громкоговорителя, имеющего по меньшей мере одну характеристику громкоговорителя, равнозначную ожидаемой характеристике громкоговорителя, как работоспособного громкоговорителя, и определения громкоговорителя, не имеющего по меньшей мере одну характеристику громкоговорителя, соответствующую ожидаемой характеристике громкоговорителя, как неработоспособного громкоговорителя.

9. Способ акустических измерений множества громкоговорителей, имеющих различное местоположение в акустическом пространстве, включающий генерирование (10) испытательного сигнала для громкоговорителя; прием множества различных звуковых сигналов микрофонным устройством как реакция на излучение одного или более сигналов громкоговорителя одним громкоговорителем из множества громкоговорителей как отклик на испытательный сигнал; управление (14) излучением сигналов громкоговорителя множеством громкоговорителей и обработка множества различных звуковых сигналов таким образом, что комбинация звуковых сигналов, зафиксированная микрофонным устройством, соотносится с каждым громкоговорителем из множества громкоговорителей как отклик на испытательный сигнал; и оценивание (16) комбинации звуковых сигналов каждого из громкоговорителей для определения по меньшей мере одной характеристики громкоговорителя для каждого громкоговорителя и определение состояния данного громкоговорителя с помощью по меньшей мере этой одной характеристики громкоговорителя; при этом указанное микрофонное устройство включает систему направленных микрофонов, содержащую три пары микрофонов, размещенных на трех пространственных осях; при этом оценивание (16) включает формирование всенаправленного сигнала давления с использованием сигналов, принятых тремя парами микрофонов или с использованием дополнительного микрофона, установленного в точке взаимного пересечения указанных трех пространственных осей; вычисление расстояния между системой направленных микрофонов и громкоговорителем с использованием всенаправленного сигнала давления, имеющего первую продолжительность протяженностью в максимум всенаправленного сигнала давления; вычисление импульсной характеристики или передаточной функции громкоговорителя с использованием принятого от одного индивидуального микрофона из трех пар микрофонов сигнала, имеющего третью продолжительность протяженностью, по меньшей мере, в максимум прямого звука, включая ранние отражения, превышающую по длительности первую продолжительность; и вычисление направления прихода звука от громкоговорителя с использованием принятых от всех микрофонов сигналов, имеющих вторую продолжительность, большую, чем первая продолжительность, и меньшую, чем третья продолжительность, причем вторая продолжительность содержит значения до раннего отражения, не включая ранние отражения или включая ранние отражения в ослабленном состоянии, определяемом боковой частью оконной функции.

10. Носитель информации, содержащий компьютерную программу, для осуществления способа по п. 9 при условии применения процессорного средства.

11. Система направленных микрофонов, включающая: три пары микрофонов (R1, R2, R3, R4, R5, R6), механический штатив для размещения каждой пары микрофонов на одной пространственной оси из трех взаимно ортогональных пространственных осей, из которых две пространственные оси расположены горизонтально и одна пространственная ось расположена вертикально, и седьмой микрофон (R7), размещенный в месте взаимного пересечения трех пространственных осей; характеризующаяся тем, что механический штатив имеет в составе первую горизонтальную механическую ось (31), вторую горизонтальную механическую ось (32) и третью, вертикальную, механическую ось (33), смещенную от центра относительно вертикальной пространственной ось, проходящей через точку пересечения первой горизонтальной механической оси (31) и второй горизонтальной механической оси (32), при этом верхняя горизонтальная консоль (34а) и нижняя горизонтальная консоль (34b) сопряжены с третьей вертикальной механической осью (33) и параллельны первой горизонтальной механической оси (31) или второй горизонтальной механической оси (32), а третья вертикальная механическая ось (33) закреплена на одной из горизонтальных механических осей (31, 32) с местом крепления (35) между гнездами седьмого микрофона (R7) и соседнего с ним микрофона (R2) одной из трех пар микрофонов.

12. Система направленных микрофонов по п. 11, далее включающая: лазерное устройство (30) для позиционирования системы направленных микрофонов в студии акустических испытаний, жестко смонтированное на механическом штативе таким образом, что лазерный луч проходит параллельно или совпадает с одной из горизонтальных осей (31, 32).

13. Система направленных микрофонов по п. 11, в которой расстояние между микрофонами каждой пары микрофонов составляет от 5 до 8 см.

14. Система направленных микрофонов по п. 11, в которой все микрофоны являются микрофонами давления, установленными на механическом штативе таким образом, чтобы микрофоны были сориентированы в одном направлении.