СИСТЕМА ДЛЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЗВУКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2021 года по МПК G11B11/03 G03H3/00 

Область техники

Заявляемое изобретение относится к звукозаписывающей аппаратуре и предназначено для использования в аудиотехнике при записи звуковых колебаний, а также для воспроизведения звука с записанного носителя. Изобретение может быть использовано, в частности, в индустрии развлечений при формировании звуковых эффектов в процессе производства самого разнообразного содержимого: музыки, речи, натуральных или искусственных звуков для кино, телевидения, радиовещания или компьютерных игр и приложений в системах звуковых динамиков для максимально точного воспроизведения звучания, а также для точной записи звука в цифровых форматах.

Уровень техники

Из уровня техники известно значительное количество источников информации, раскрывающих конструкции разнообразных систем записи и воспроизведения звука максимально приближенного к оригинальному звучанию источника.

Так, например, наиболее известный принцип стереофонии был использован впервые в 1881 году в Париже – когда была проведена передача звука по двум телефонам – для левого и для правого уха (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BE%D1%84%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D1%8F ). Стереофония – принцип передачи и/или записи звука по двум каналам, с двух независимых микрофонов и на два динамика, многократно усовершенствовался для граммофонной записи, радио, кино звука, для видео (долби стерео). Были использованы для каждого микрофона независимые усилители, специальные преобразователи и прочее. Стереофония основана на физиологических особенностях человека - бинауральном эффекте. Так, стерео можно слушать только на определенном расстоянии от динамиков.

Также известна квадрофония - разновидность стереофонии, в которой используются четыре независимых канала. Ее развитие - система объемного звука, передача звука по нескольким каналам – для высоких, средних, низких частот, так, чтобы слушателя окружали динамики, а он был как бы в центре «купола» звука, имеет те же проблемы – бинауральный эффект работает при определенном положении слушателя относительно источников звука.

Также известны методы обработки звука для воспроизведения пространственных – 3D сигналов (https://ru.qwe.wiki/wiki/3D_sound_reconstruction).

Патентные источники, описывающие средства и методы реализации звукозаписи и ее воспроизведения, в большинстве своем связаны, во –первых, с созданием звукового поля на основе использования того или иного математического аппарата, во – вторых, с применением методов бинаурального слуха. В результате, приближение к идеальному восстановлению частотных и пространственных характеристик звука достижимо только в определенной области, а именно, внутри пространства, окруженного динамиками, для определенной группы слушателей или для зала определенной конфигурации. Характеристики микрофонов и ресиверов, а также компьютеров для обработки сигнала должны соответствовать математическому аппарату, который используется в изделии. Выход слушателя из зоны лучшего звучания или нахождение источника звука над или под плоскостью, сформированной микрофонами и динамиками, требует новой настройки звуковых параметров и/или особого математического решения.

Известно средство, реализующее способ голографической записи и воспроизведения звуковой информации, раскрытый в патенте РФ №2160471, включающий запись информации в фоточувствительном слое вращающегося оптического диска в виде спиральных голограмм, воспроизведение информации устройством, формирующим опорный пучок, аналогичный тому, который использовался при записи, проецирование восстановленных изображений на матрицу фотодетекторов и обработку полученных сигналов в электронных устройствах, при этом параллельно с записью спиралей служебной информации в качестве основной информации записывают сфокусированные голограммы волновых фронтов мембран, при этом при записи используют объемную фазовую голограмму и прямое преобразование Фурье для всех координат, а при воспроизведении информации, используя обратное преобразование Фурье, восстанавливают изображения волновых фронтов мембран в виде интерференционных полос света, получают аналоговый сигнал, который обрабатывают в аналоговых электронных устройствах.

Реализация данного способа довольно сложна в воспроизведении, а устройство, использующее преобразование Фурье для восстановления звукоряда, позволяет восстановить только частотные характеристики, но не геометрию (форму) фронта звуковой волны, что, соответственно, сказывается на снижении точности воспроизведения звуковой информации.

Одно из современных решений раскрыто в патенте US9241216, где на основе математических исследований создан новый формат файла для 2D и 3D аудиоконтента, позволяющего декодерам нового поколения создавать реалистичный звук. Для создания трехмерного контента окружающее звуковое поле записано с использованием массива микрофонов в режиме амбисоникс первого порядка, при этом направленные источники захватываются с помощью монофонических микрофонов крупным планом или с помощью высоконаправленных микрофонов вместе с информацией о направлении. Затем направленные сигналы кодируют в новый формат файла амбисоникс, который имеет возможность хранить более одного описания звукового поля одновременно.

Описанное устройство относится к известной с 1970-х годов технологии «шар звука» – амбисоник, и направлено на улучшение акустической ситуации в условиях кинотеатра, когда в заданном помещении при фиксированном положении слушателей компьютером восстанавливается по математическим формулам, указанным в изобретении, звук с лучшими, чем у аналогов, характеристиками. Однако раскрытое устройство можно использовать лишь при наличии системы амбисоник, снабженной специализированными компьютерами, что существенно усложняет технологию звукозаписи.

Известно изобретение по патенту US4680856, раскрывающее двухканальную систему записи и воспроизведения для обеспечения голофонической записи и воспроизведения звуков. Голофоническое воспроизведение звуков включает в себя способность идентифицировать местоположение источников звука во время воспроизведения звука, так, как если бы слушающий присутствовал в месте записи, например, в театре, при этом эффект голофонии не зависит от расположения источников звука по отношению к микрофонам. Таким образом слышно не только сам источник, но также эхо и реверберацию, исходящие от боковых сторон и задней части концертного зала, а также, например, аплодисменты. Все это усиливает эффект присутствия.

Полученный эффект позволяет получить практически исходный звук, но, тем не менее, реализация требует использования множества микрофонов, специально расположенных под заданными углами и специальной обработки получаемых сигналов. Система воспроизведения выполнена с особым расположением многочисленных диффузоров в углах параллелограмма. Все это требует особых конструкций как для записи, так и для прослушивания таких записей. Кроме того, в данном решении используется бинауральный эффект, и, как следствие, вне зоны его действия или без стереонаушников голофонический эффект достичь невозможно.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой системе является техническое решение, раскрытое в патенте US8437485. Известное изобретение относится к способу и устройству для воспроизведения звукового поля от одного входного аудиосигнала с использованием множества динамиков, направленных на синтез звукового поля в предпочтительной области прослушивания, в котором ни один из динамиков не является локализованным. Изобретение позволяет слушателю находиться не только в зоне средней линии между динамиками, где собственно и реализуется эффект стереофонического воспроизведения звука, но и в других местах, без ограничений позиционирования. Способ включает в себя этапы вычисления множества коэффициентов позиционного фильтра с использованием данных виртуального источника и данных множества динамиков в соответствии с методом воспроизведения звукового поля и изменение первого входного аудиосигнала с использованием вычисленных коэффициентов позиционного фильтра для формирования вторых входных аудиосигналов. Таким образом, определяется рейтинг динамиков по степени важности каждого для синтеза звукового поля в пределах предпочтительной области прослушивания. Затем вторые входные аудиосигналы изменяют в соответствии с рейтингом динамиков для формирования третьих входных аудиосигналов. Наконец, к динамикам подключают третьи входные аудиосигналы, которые синтезируют звуковое поле.

Однако такое решение является более сложным развитием хорошо известного стереофонического метода. Также в нем используется специальный сложный математический аппарат, а для реализации необходимо расположение вокруг области прослушивания большого числа (более 15) специальных динамиков.

Таким образом, техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих приведенным выше аналогам и прототипу за счет создания системы, обеспечивающей возможность записи и последующего воспроизведения звуковой информации повышенной точности без использования бинаурального эффекта.

Краткое раскрытие сущности изобретения

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в обеспечении возможности восстановления не только частоты записанной звуковой волны, но и геометрии ее фронта за счет реализации принципа Гюйгенса-Френеля для звуковых волн.

Преимущество заявляемой системы заключается в обеспечении возможности практической синхронизации формы испускаемой источником и воспроизводимой динамиком звуковой волны.

Заявленный технический результат достигается тем, что система для аудиоголографической записи и воспроизведения звуковой информации включает две идентичные по форме и размерам поверхности, расположенные на заранее заданном расстоянии друг от друга, при этом на первой поверхности на расстоянии друг от друга, не превышающим 0,5 минимальной длины записываемой звуковой волны, установлено множество независимых микрофонов, предназначенных для записи падающего на первую поверхность фронта звуковой волны, а на второй поверхности идентичным образом установлено множество динамиков, обеспечивающих восстановление формы фронта звуковой волны и ее частоты, каждый из которых соединен с микрофоном, расположенным в аналогичной точке первой поверхности, при этом соединенные пары микрофонов и динамиков имеют равные акустические характеристики. Микрофоны могут быть соединены с динамиками посредством проводных каналов. В ином варианте исполнения, система дополнительно может включать по меньшей мере, одно запоминающее устройство, выполненное в виде процессора или компьютера с возможностью записи звуковых волн от микрофонов и/или трансляции звуковых волн на динамики, при этом микрофоны соединены с динамиками посредством цифровых каналов через указанное, по меньшей мере, одно устройство. Такое запоминающее устройство обеспечивает последовательную запись сигналов от множества микрофонов в течение времени, не превышающем время распространения записываемой звуковой волны между двумя соседними микрофонами. Поверхности выполнены из звукопоглощающего материала и снабжены углублениями для размещения микрофонов и динамиков и могут быть выполнены в виде круга или сегмента сферы, или цилиндра. Разные пары соединенных микрофонов и динамиков могут иметь равный или разный частотный диапазон.

Краткое описание чертежей

Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами и изображениями, где

На фиг.1 схематично приведена реализация принципа распространения фронта волны Гюйгенса-Френеля,

На фиг.2 представлена схема соединения микрофонов и датчиков, расположенных на конгруэнтных плоскостях, восстановление фронта падающей волны.

Позициями на чертежах обозначены:

1. Фронт записываемой микрофонами звуковой волны,

2. Поверхность с микрофонами,

3. Поверхность с динамиками,

4. Фронт транслируемой (восстановленной) динамиками звуковой волны,

5. Компьютер.

Осуществление изобретения

Технология записи и воспроизведения звукоряда с использованием заявляемой системы основана на физическом принципе Гюйгенса – Френеля https://bigenc.ru/physics/text/1937370, описывающем механизм распространения волн в пространстве, в данном случае – звуковых. Согласно этому принципу интерференция от первичных источников создает фронт волны, при этом каждая его точка, в свою очередь, также является источником сферических волн, в результате их интерференции формируется фронт волны в следующий момент и так далее (фиг.1).

Идеальным для воспроизведения звукового поля является условная поверхность, состоящая из бесконечно малых динамиков (громкоговорителей https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%B3%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%BA%D0%BE%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C), передающих звук от расположенных точно таким же образом микрофонов (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%84%D0%BE%D0%BD). Развитие современной технологии позволило уменьшить размеры динамиков и микрофонов до долей сантиметров, что позволило сформировать поверхность, максимально заполненную тысячами микрофонов и другую поверхность с тысячами связанных с ними динамиков.

Теоретические основы заявляемого изобретения базируются на следующем постулате: при падении волнового фронта 1 на поверхность с микрофонами 2, значение частоты звука в соответствующем сегменте фронта, пришедшегося на данный микрофон, передается на попарно соединенный с микрофоном динамик. Динамики расположены на своей поверхности 3 на том же расстоянии друг от друга, в той же пространственной позиции друг от друга (конгруэнтно), что и соответствующие им (соединенные с ними) микрофоны. Учитывая, что разные сегменты волнового фронта приходят к разным микрофонам поверхности 2 в разные моменты времени, испускание волн соответствующими динамиками происходит с теми же временными задержками. В таком случае, излучаемые динамиками сферические волны распространяются на разное расстояние, формируя в результате интерференции волновой фронт 4, который конгруэнтен исходному, приходящему на поверхность с микрофонами (фиг.2).

Восстановленный динамиками волновой фронт 4 продолжает распространяться в пространстве в том направлении и в том виде, в каком он пришел к поверхности микрофонов (не считая краевых эффектов). Динамики, излучающие волны, можно рассматривать как первичные источники в соответствии с принципом Гюйгенса - Френеля.

Звуковые волны, переданные или записанные благодаря данному изобретению, физически (их геометрия и частота) приближены к тем, что были испущены от реального источника, в отличие от бинаурального эффекта стереофонии, основанного на анатомических особенностях уха человека. По аналогии с оптическим голографическим эффектом точного восстановления световой волны такое точное воспроизведение звуковой волны в рамках заявляемого изобретения называется голографическим.

Заявляемая система, а также устройство, которое может быть реализовано на ее основе, никак не связаны с бинауральным эффектом, не являются развитием стереофонии, и не требуют специального расположения поверхностей с микрофонами и динамиками в пространстве. По аналогии с оптической голографией, человек, находясь в разных местах или перемещаясь относительно поверхности динамиков, слышит звуки с тех же направлений от источников, как если бы он находился на тех же местах относительно реальных источников.

Такой результат достигается, в том числе, за счет расположения большого количества независимых (в отличие от микрофонной решетки) ненаправленных микрофонов на двумерной поверхности, выполненной в форме плоскости, сферического сегмента и т.д., постоянно ориентированных (на максимальную чувствительность по диаграмме направленности) в одну сторону, предпочтительно – перпендикулярно поверхности, то есть перпендикулярно касательной плоскости, проведенной к первой поверхности в точке крепления каждого микрофона и, соответственно, попарно соединенных с динамиками, расположенными по идентичному принципу на аналогичной двумерной поверхности.

Очевидно, что максимальная плотность размещения микрофонов и соответствующих им динамиков на максимально большой по площади поверхности является залогом максимальной приближенности характеристик воспроизводимого звука к источнику (источникам).

Однако для разных задач условия фиксации микрофонами и восстановления звукового фронта могут отличаться, например, для целей регистрации источника, для звука видеозаписи, для записи концертной деятельности и прочее.

Система может быть реализована в виде устройства, в котором множество независимых, попарно соединенных с динамиками микрофонов располагают на первой поверхности на расстоянии между центрами микрофонов, не превышающем 0,5 длины регистрируемой микрофонами звуковой волны. Соединенные с ними попарно динамики располагают на конгруэнтной второй поверхности с обеспечением идентичного их расположения относительно парных микрофонов. Интерференция от излучаемых динамиками звуковых волн восстанавливает геометрию фронта звуковой волны в дополнение к частотным характеристикам. Поверхность для микрофонов и конгруэнтная ей для динамиков предпочтительно выполнены или покрыты звукопоглощающим материалом. Форма таких поверхностей может быть любой удобной – круг, сегмент сферы, цилиндр и т.д. Полусфера или сферический сегмент наиболее предпочтительны, так как будут более полно принимать и восстанавливать звучание от нескольких, расположенных в разных сторонах от сферы источников и уменьшать краевые эффекты. Для фиксации микрофонов и динамиков в поверхностях могут быть выполнены полости, размеры которых соизмеримы с габаритными размерами микрофонов и динамиков, что позволяет минимизировать эффекты отражения (ревербации от соседних участков поверхности) для микрофонов и нелинейной диаграммы направленности для динамиков. Также для реализации заявляемой системы и устройства на ее основе могут быть использованы пары микрофон-динамик, ориентированные на разные частоты. Такие разночастотные пары микрофонов и динамиков равномерно располагают по первой и второй поверхностям соответственно. То есть, микрофоны и динамики низкой частоты располагают редкой сеткой (в небольшом количестве), микрофоны и динамики средних частот располагают чаще (в большем количестве) а, наконец, высокочастотные пары располагают более частым образом. Так, например, может быть установлено несколько микрофонов и динамиков для низких частот (длина волны больше, например, 0,1 метра), в промежутках между которыми в большем количестве расположены микрофоны и динамики, соответственно, для высоких и средних частот.

Для сокращения количества контактных проводов, соединяющих микрофоны и динамики, передача звукового сигнала может быть организована посредством одного или нескольких цифровых каналов. Для осуществления записи звуковой информации сигналы с микрофонов направляют на постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Процессор устройства соединен с выходами всех микрофонов и расположен, например, на общей микросхеме. Процессор ПЗУ формирует один канал записи/передачи, на который он передает сигналы со всех микрофонов последовательно, за время, меньшее среднего времени, необходимого звуковой волне для преодоления расстояния между соседними микрофонами. Полученную таким образом развертку электрических сигналов (поступающих с микрофонов) записывают в ПЗУ (например, компьютер) и/или передают по линейному каналу, например, через Интернет, к другому процессору, транслирующему электрические сигналы в той же последовательности за то же время на соответствующие (конгруэнтно расположенные) динамики. Период (время), за который процессор должен опрашивать по очереди все микрофоны (и за который другой процессор должен подавать сигналы на динамики) определен следующим образом. Указанное время не превышает времени распространения звуковой волны между двумя соседними микрофонами. Так, если расстояние между микрофонами составляет около 0,01 м, а скорость звука – 330 м/с, тогда период между получением сигналов от одного микрофона процессором (период развертки) должен быть около 30 миллисекунд. При этом условии фронт волны будет считан (и, соответственно, потом восстановлен) наиболее точно. Для удобства или в случае использования микрофонов с разными характеристиками сигнал может быть передан по нескольким каналам. В результате к слушателю приходит звук, не только восстановленный по частоте, но и по геометрическому виду фронта звуковой волны, направлению ее движения, что, в частности, позволяет слушателям локализовывать в пространстве разные источники звука.

Необходимо отметить, что количество передаваемой или записываемой информации о подобном голографическом звуке оказывается гораздо больше, чем в случае привычного моно- или стереозвучания, (также как обычная оптическая голография требует большей информационной емкости, чем фотография). За счет использования компьютера в качестве записывающего и транслирующего средства, можно исключить те или иные помехи, мешающие точному восстановлению фронта волны, либо создавать необычные звуковые спецэффекты, изменяя восстанавливаемую волну.

Специального расположения поверхностей относительно источников звука или слушателей в данном случае не требуется. Данный факт представляет собой существенное преимущество заявляемой системы в отличие от систем и устройств, использующих бинауральный эффект.

Конечно, учитывая, что поверхности микрофонов и динамиков имеют конечный размер, краевые эффекты при большом удалении от динамиков смазывают эффект восстановления звукового фронта, также, как это происходит при рассмотрении под углом пластинки с оптической голографией, более удачной является конструкция сферической поверхности (или сегментов поверхности) микрофонов.

Для формирования записывающей и излучающей частей системы используют не менее 400 микрофонов и, соответственно, не менее 400 динамиков. Заявляемая система с первой и второй поверхностями с размещенными на них микрофонами и динамиками позволит восстановить фронт звуковой волны, если линейные размеры поверхности динамиков должны быть больше длины волны. Так, например, для регистрируемой и воспроизводимой звуковой волны длиной около 20 см, учитывая размеры динамиков, потребуется, по меньшей мере, 20*20=400 динамиков. То есть, система включает не менее 400 пар микрофон-динамик, размещенных на соответствующих поверхностях.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1

Так, для наиболее качественного воспроизведения звуков человеческой речи для одиночных слушателей, например, в квартире, линейные размеры поверхностей системы: излучающей и записывающей и, соответственно, плотность расположения микрофонов и динамиков на них можно определить из следующих соображений. Длина звуковой волны в воздухе для самого низкого мужского голоса достигает 4,3 м, а для самого высокого женского голоса 25 см. Соответственно, для лучшей передачи всех оттенков человеческой речи и пения, линейные размеры поверхностей должны составлять около 1 метра в диаметре, что позволит фиксировать и восстанавливать фронт длинных волн, а расстояние между микрофонами (а также, между динамиками) – порядка 10 сантиметров. Учитывая однако, что большинство звуков музыки формируют высокое звучание (например, скрипка), то для большей точности восстановления всех звуковых фронтов расстояние между центрами микрофонов и, соответственно, динамиков, должно быть не более 1 см. Эти значения хорошо совпадают с линейными характеристиками современных микрофонов и динамиков, используемых в гаджетах, которые составляют около 10 мм².

Пример 2

Наиболее точным получится воспроизведение звуков со сцены для удаленных задних рядов театров или концертных залов, если поверхность микрофонов выполнена длинной, во всю сцену, плоскостью, расположенной перед сценой (внизу, чтобы не мешать действию) и обращенной микрофонами к сцене. Конгруэнтная ей поверхность с динамиками, обращенными к задним рядам, в таком случае должна находиться перед задними рядами зрительного зала. Линейное расстояние между соседними микрофонами и соседними динамиками на соответствующих поверхностях не должно быть больше, чем в предыдущем примере – около 10 сантиметров. При таком взаимном расположении записывающей и излучающей поверхностей (частей системы) слушатели задних рядов услышат звуки со сцены именно так, с тех же направлений, с теми же эффектами эха и ревербации от задних стен, как слушатели первых рядов.

Пример 3

Заявляемая система может быть использована при создании звуковых эффектов для индустрии развлечений. Устройство, реализующее способ аудиоголографической записи и воспроизведения звуковой информации может не только восстанавливать фронт звуковой волны, но и изменять его. Для этого можно менять как порядок сочетаний микрофон – динамик, так и напрямую задерживать сигнал к определенным динамикам. Построенный ими фронт волны в этих случаях окажется измененным. Если ранее можно было только менять частоту звучания источника, то в данном случае и кажущееся его расположение будет меняться. Например, в случае использования поверхностей, выполненных в виде сегмента сферы, динамики будут передавать волну в ту сторону, куда она падает на поверхность микрофонов, а слушателю, перемещающемуся вокруг динамиков, будет казаться, что он приближается или удаляется к источнику звука. Тогда можно изменять (нарушать конгруэнтность подключений пар) подключения от микрофона, с течением времени подсоединять разные микрофоны к разным динамикам. Если делать этот сегмент за сегментом сферы, то неподвижному слушателю будет казаться, что источник звука перемещается по кругу, подходя к нему, удаляясь (поднимаясь в вверх, падая). Особенно это будет эффектно при передаче звука от протяженных источников – оркестра, хора - «вращающихся» и «двигающихся» для слушателя.

Такое свойство легко получить программным способом при передаче сигнала разверткой, особенно цифровой, с помощью дополнительного процессора.

Пример 4

Микрофоны и динамики для реализации выбраны наиболее малых размеров, т.е. сравнимые с используемыми, например, в смартфонах (например, https://www.chipdip.ru/catalog/popular/mikrofon-elektretnyj). В качестве динамиков использованы динамики для гарнитур – телефонные капсюли и миниатюрные головки громкоговорителей (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D1%84%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BA%D0%B0%D0%BF%D1%81%D1%8E%D0%BB%D1%8C), например https://www.eldr.ru/catalog/otechestvennye/akusticheskie_komponenty_ru/kapsyuli_telefonnye_ru/.

Линейные размеры каждого микрофона и динамика составляют не более 0,5 см в диаметре. Для лучшего звучания они расположены на плоских дисках диаметром 50 сантиметров (площадь около 2000 см²). Диски выполнены из губчатой резины, микрофоны на одном и динамики на другом дисках расположены в круглых полостях диаметром 1 см и глубиной 0,5 см. Среднее расстояние между краями соседних микрофонов/динамиков – 1 см. Соединение пар организовано напрямую посредством проводного соединения, всего 1000 пар микрофонов – динамиков. Питание –от общего источника питания, аккумулятора. Расстояние между поверхностями составляло 10 метров.

Пример 5

В отличие от Примера 4, выбранная поверхность представляет собой фрагмент сферы –диаметром 50 см. и высотой 25 см. (в этом случае площадь такого сферического сегмента будет равной площади круга радиусом 50 см, как в предыдущем примере, около 2000 см²). Подобное расположение позволяет удачно записывать звуки от разных, расположенных с разных сторон от микрофонной поверхности источников и воспроизводить их динамиками так точно, как если бы они геометрически располагались вокруг них.

Пример 6

В отличие от Примера 4 исключено проводное соединение пар микрофон-динамик. Вместо этого микрофоны направляют сигнал на ПЗУ, процессоры которых записывают по очереди сигналы от микрофонов с периодом в 100 миллисекунд. Такая запись попеременно от всех 1000 микрофонов хранится на флэш – карте. Данные с нее направляли на ПЗУ для динамиков и подавали изменяющийся раз в 100 мс сигнал на каждый из динамиков.

Для проверки качества восстановленного звука был использован источник звука, расположенный на расстоянии 1 метра от поверхности с микрофонами под углом 45⁰ (под таким углом фронт волны падает на поверхность с микрофонами). Источник формировал короткие тональные импульсные сигналы на частоте 150 Гц (средней частоте человеческого голоса). Направление и вид фронта звуковой волны был измерен с помощью узконаправленного микрофона Rode VideoMic Pro Rycote. (https://on.pleer.ru/product_239015_Rode_VideoMic_Pro_Rycote.html#desc ). Микрофон регистрировал силу звука (в децибелах) в десяти точках на расстоянии 1см от поверхности микрофонов и в разных направлениях (перпендикулярно к поверхности, под углом 45⁰ градусов - направление на источник звука, и вдоль поверхности от источника звука). Полученные результаты сравнивались с данными направленного микрофона в конгруэнтно расположенных десяти точках на расстоянии 1см, в десяти точках на расстоянии 10см и десяти точках на расстоянии 100 сантиметров от поверхности динамиков. В указанных точках микрофон также был направлен: перпендикулярно к поверхности, под углом 45⁰ и вдоль поверхности от источника звука. Установлено, что сила звука при направлении на реальный источник, от него и при направлении по нормали к поверхности меняется около микрофонов (т.е. в случае с реальным источником) так же, как и при воспроизведении звука поверхностью динамиков, разница составляла менее 10%.Таким образом, поверхностью динамиков выделялось направление голографического источника звука. Также оказалось, что сила звука снижается с удалением от динамиков (от 1 до 100 см), по аналогии со снижением силы звука при удалении от реального источника, но с сохранением направления на этот источник звука. Таким образом, воссоздаваемый фронт звуковой волны был создан и распространялся так же, как звуковая волна от реального источника. Воспроизведение звука системой позволило сформировать идентичную настоящей картину локализации источника. Также портативным частотомером GOOIT GY561 (https://supereyes.ru/catalog/CHastotomery/izmeritel_gy561/?roistat=merchant10_g_73384793880_online:ru:RU:5782&roistat_referrer=&roistat_pos=&gclid=CjwKCAjw5p_8BRBUEiwAPpJO6wKuTgqr1twLg0kBKj-SDZA6GbO7WEEPD8luBePv61HlWUm34tmA2RoCUkAQAvD_BwE) была измерена частота звука в тех же точках около микрофонов и проведено сравнение с данными о частоте в точках около поверхности динамиков. Данная операция была бы излишней в случае одной пары микрофон – динамик и свелась бы к проверке заявленных производителями свойств этих гаджетов, однако для заявляемой системы сравнение частотных характеристик источника звука около микрофонов и около динамиков показывает ее возможное изменение из-за интерференции, в частности, краевых эффектов. Установлено, что численное значение длины восстановленной звуковой волны совпадает с исходными характеристиками звуковой волны с погрешностью до 5-10%. Таким образом, и частотные, и геометрические характеристики (фронт, локализация) восстановленной волны оказались, практически, идентичны настоящим.

Следует отметить также, что для обычного стереофонического воспроизведения/передачи звука через один динамик (громкоговоритель), интерференция разных волн нарушает качество звучания. Тогда как в предлагаемой системе, наоборот, интерференция лежит в основе возможности точной передачи звуковой волны.

Изобретение относится к звукозаписывающей аппаратуре и предназначено для использования в аудиотехнике при записи звуковых колебаний, а также для воспроизведения звука с записанного носителя. Система для аудиоголографической записи и воспроизведения звуковой информации включает две идентичные по форме и размерам поверхности, расположенные на заранее заданном расстоянии друг от друга, при этом на первой поверхности на расстоянии друг от друга, не превышающем 0,5 минимальной длины записываемой звуковой волны, установлено множество независимых микрофонов, предназначенных для записи падающего на первую поверхность фронта звуковой волны, а на второй поверхности идентичным образом установлено множество динамиков, обеспечивающих восстановление формы фронта звуковой волны и ее частоты, каждый из которых соединен с микрофоном, расположенным в аналогичной точке первой поверхности, при этом соединенные пары микрофонов и динамиков имеют равные акустические характеристики. Система выполнена с возможностью синхронизации формы испускаемой источником и воспроизводимой динамиком звуковой волны. Технический результат - возможность восстановления не только частоты записанной звуковой волны, но и геометрии ее фронта за счет реализации принципа Гюйгенса-Френеля для звуковых волн. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система для аудиоголографической записи и воспроизведения звуковой информации, характеризующаяся тем, что она включает две идентичные по форме и размерам поверхности, расположенные на заранее заданном расстоянии друг от друга, при этом на первой поверхности на расстоянии друг от друга, не превышающем 0,5 минимальной длины записываемой звуковой волны, установлено множество независимых микрофонов, предназначенных для записи падающего на первую поверхность фронта звуковой волны, а на второй поверхности идентичным образом установлено множество динамиков, обеспечивающих восстановление формы фронта звуковой волны и ее частоты, каждый из которых соединен с микрофоном, расположенным в аналогичной точке первой поверхности, при этом соединенные пары микрофонов и динамиков имеют равные акустические характеристики.

2. Система по п.1, характеризующаяся тем, что микрофоны соединены с динамиками посредством проводных каналов.

3. Система по п.1, характеризующаяся тем, что она дополнительно включает по меньшей мере одно запоминающее устройство, выполненное в виде процессора или компьютера, выполненное с возможностью записи звуковых волн от микрофонов и/или трансляции звуковых волн на динамики, при этом микрофоны соединены с динамиками посредством цифровых каналов через указанное по меньшей мере одно устройство.

4. Система по п.3, характеризующаяся тем, что запоминающее устройство обеспечивает последовательную запись сигналов от множества микрофонов в течение времени, не превышающего время распространения записываемой звуковой волны между двумя соседними микрофонами.

5. Система по п.1, характеризующаяся тем, что поверхности выполнены из звукопоглощающего материала и снабжены углублениями для размещения микрофонов и динамиков.

6 Система по п.1, характеризующаяся тем, что разные пары соединенных микрофонов и динамиков имеют разный частотный диапазон.

7. Система по п.1, характеризующаяся тем, что поверхности выполнены в виде круга или сегмента сферы или цилиндра.