Усилительно-преобразовательное устройство Российский патент 2024 года по МПК H04S5/00 H03F3/181 

Область техники

Изобретение относится к аналоговой звукотехнике, в частности к звуковоспроизводящим устройствам, выполненным по монолитной, дискретной или смешанной технологиям.

Цель изобретения - повышение качества звуковоспроизведения монофонических сигналов.

Поставленная цель достигается преобразованием монофонического сигнала в два некоррелированных между собой сигнала, предназначенных для воспроизведения в двух канальном режиме, при этом каждый из сигналов представляет собой сумму шести сигналов, частотные полосы которых перекрывают наиболее значимые для восприятия речи, вокала и музыки участки звукового диапазона, чем обеспечивается восприятие более полной глубины и объемности звучания, для чего к входу первого полосового фильтр устройства подключаются входы еще пять полосовых фильтров, совместно образующих блок полосовых фильтров, также в каждый из каналов двухканального преобразователя вводятся по пять последовательно соединенных блока согласования и блока фазосдвигающих звеньев, при этом вход первого блока согласования первого канала преобразования и вход первого блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу первого полосового фильтра, вход второго блока согласования первого канала преобразования и вход второго блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу второго полосового фильтра, вход третьего блока согласования первого канала преобразования и вход третьего блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу третьего полосового фильтра, вход четвертого блока согласования первого канала преобразования и вход четвертого блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу четвертого полосового фильтра, вход пятого блока согласования первого канала преобразования и вход пятого блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу пятого полосового фильтра, вход шестого блока согласования первого канала преобразования и вход шестого блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу шестого полосового фильтра, при этом объединенные шесть выходов блоков фазосдвигающих фильтров каждого из каналов преобразователя образуют единый выход канала преобразователя, который подключается ко входу одного из каналов усиления.

Описание аналога

Известно усилительное устройство, содержащее два идентичных канала усиления, на входе каждого из каналов расположен фазоинвертор, вход которого образует вход канала усиления, к неинвертирующему выходу фазоинвертора подключен вход первого усилителя канала, а к инвертирующему - вход второго усилителя канала, причем выход первого усилителя каждого из каналов образует неинвертирующий выход канала усиления, а выход второго усилителя образует инвертирующий выход канала усиления, на входе устройства расположен двунаправленный двухпозиционный переключатель, находящийся в замкнутом положении, оба канала усиления нагружены на один громкоговоритель, подключенный началом своей звуковой катушки к объединенным неинвертирующим выходам каналов, а концом - к объединенным инвертирующим выходам каналов [1].

Известное устройство обладает низким качеством воспроизведения монофонических сигналов.

Описание прототипа

Известно усилительно-преобразовательное устройство, содержащее последовательно соединенные переключатель, первый полосовой фильтр и двухканальный преобразователь, идентичные каналы которого имеют один общий вход и два отдельных выхода, каждый канал преобразователя содержит последовательно соединенные первый блок согласования и первый блок фазосдвигающих звеньев, выход блока фазосдвигающих звеньев каждого из каналов преобразователя подключен к входу одного из двух идентичных каналов усиления, при этом каждый канал усиления, имеющий неинвертирующий и инвертирующий выходы, нагружен на свой громкоговоритель, подключенный по мостовой схеме [2].

Критика прототипа

К причине, препятствующей достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, относится использование широкополосного двухканального преобразователя для получения двух некоррелированных сигналов, что обеспечивает не достаточно высокое качество звуковоспроизведения монофонических сигналов.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлена заявляемое изобретение, заключается в повышении качества звуковоспроизведения монофонических сигналов.

Указанная задача решается за счет достижения при осуществлении изобретения технического результата, который заключается в преобразовании монофонического сигнала в два некоррелированных между собой сигнала, предназначенных для воспроизведения в двухканальном режиме, при этом каждый из сигналов представляет собой сумму шести сигналов, частотные полосы которых перекрывают наиболее значимые для восприятия речи, вокала и музыки участки звукового диапазона, чем обеспечивается восприятие более полной глубины и объемности звучания.

Указанный технический результат достигается тем, что к входу первого полосового фильтр устройства подключаются входы еще пять полосовых фильтров, совместно образующих блок полосовых фильтров, также в каждый из каналов двухканального преобразователя вводятся по пять последовательно соединенных блока согласования и блока фазосдвигающих звеньев, при этом вход первого блока согласования первого канала преобразования и вход первого блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу первого полосового фильтра, вход второго блока согласования первого канала преобразования и вход второго блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу второго полосового фильтра, вход третьего блока согласования первого канала преобразования и вход третьего блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу третьего полосового фильтра, вход четвертого блока согласования первого канала преобразования и вход четвертого блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу четвертого полосового фильтра, вход пятого блока согласования первого канала преобразования и вход пятого блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу пятого полосового фильтра, вход шестого блока согласования первого канала преобразования и вход шестого блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу шестого полосового фильтра, при этом объединенные шесть выходов блоков фазосдвигающих фильтров каждого из каналов преобразователя образуют единый выход канала преобразователя, который подключается ко входу одного из каналов усиления.

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

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна».

Перечень фигур чертежей

На фигуре 1 представлено условное разделение спектра монофонического сигнала на шесть полос с указанием граничных частот фильтров по оси f, Гц. В верхней части фигуры указаны номера полос. В нижней части фигуры отражено расположение основных тонов и формантных областей в диапазоне слышимости речи, в том числе и вокализированной.

На фигуре 2 представлена структурная схема усилительно-преобразовательного устройства. На схеме фигуры 2 приняты следующие обозначения: 1 - переключатель; 2 - первый полосовой фильтр; 3 - двухканальный преобразователь; 4 - первый канал преобразователя; 5 - первый блок согласования первого канала преобразователя; 6 - первый блок фазосдвигающих звеньев первого канала преобразователя; 7 - второй канал преобразования; 8 - первый блок согласования второго канала преобразователя; 9 - первый блок фазосдвигающих звеньев второго канала преобразователя; 10 - первый канал усиления; 11 - неинвертирующий выход первого канала усиления; 12 - инвертирующий выход первого канала усиления; 13 - второй канал усиления; 14 - неинвертирующий выход второго канала усиления; 15 - инвертирующий выход второго канала усиления; 16 - блок полосовых фильтров; 17 - второй полосовой фильтр; 18 - третий полосовой фильтр, 19 - четвертый полосовой фильтр; 20 - пятый полосовой фильтр; 21 - шестой полосовой фильтр; 22 - второй блок согласования первого канала преобразователя; 23 - второй блок фазосдвигающих звеньев первого канала преобразователя; 24 - третий блок согласования первого канала преобразователя; 25 - третий блок фазосдвигающих звеньев первого канала преобразователя; 26 - четвертый блок согласования первого канала преобразователя; 27 - четвертый блок фазосдвигающих звеньев первого канала преобразователя; 28 - пятый блок согласования первого канала преобразователя; 29 - пятый блок фазосдвигающих звеньев первого канала преобразователя; 30 - шестой блок согласования первого канала преобразователя; 31 - шестой блок фазосдвигающих звеньев первого канала преобразователя; 32 - выход первого канала преобразования; 33 - второй блок согласования второго канала преобразователя; 34 - второй блок фазосдвигающих звеньев второго канала преобразователя; 35 - третий блок согласования второго канала преобразователя; 36 - третий блок фазосдвигающих звеньев второго канала преобразователя; 37 - четвертый блок согласования второго канала преобразователя; 38 - четвертый блок фазосдвигающих звеньев второго канала преобразователя; 39 - пятый блок согласования второго канала преобразователя; 40 - пятый блок фазосдвигающих звеньев второго канала преобразователя; 41 - шестой блок согласования второго канала преобразователя; 42 - шестой блок фазосдвигающих звеньев второго канала преобразователя; 43 - выход второго канала преобразования.

На фигуре 2 представлены два громкоговорителя, каждый из которых подключен по мостовой схеме между неинвертирующим и инвертирующим выходами своего канала усиления.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

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

Устройство содержит последовательно соединенные переключатель 1, первый полосовой фильтр 2 и двухканальный преобразователь 3, первый канал 4 которого содержит последовательно соединенные первый блок 5 согласования и первый блок 6 фазосдвигающих звеньев, второй канал 7 преобразователя содержит последовательно соединенные первый блок 8 согласования и первый блок 9 фазосдвигающих звеньев, при этом выход первого блока 6 фазовращающих звеньев первого канала 4 преобразования подключен ко входу первого 10 из двух идентичных каналов усиления, а выход первого блока 9 фазовращающих звеньев второго канала 7 преобразования подключен ко входу второго 13 канала усиления, при этом между неинвертирующим и инвертирующим выходами каждого из каналов 10 и 13 усиления по мостовой схеме подключен свой громкоговоритель.

Структура предлагаемого устройства позволяет обратиться к использованию деления воспринимаемого слухом человека диапазона частот на несколько частотных полос, наиболее важных для передачи нюансов звучания речи, в том числе и вокализированной, и музыкальных инструментов. Обратимся к обоснованию выбора оптимально-минимального количество полос для введения изменений в структуру известного устройства-прототипа.

Проведенный анализ позволил остановиться на использовании шести частотных полосы, в которые попадают наиболее значимые для восприятия речи, вокала и музыки участки диапазона частот, и выделение которых из монофонического сигнала и дальнейшая обработка, будет способствовать возникновению у слушателей эффекта ощущения глубины и объемности звучания.

На фигуре 1 представлено условное разделение спектра монофонического сигнала на шесть полос с указанием граничных частот фильтров по оси f, Гц. В верхней части фигуры 1 указаны номера полос и их диапазоны, ниже указаны параметры звучания, наиболее значимые для восприятия не только разборчивости речи, но и ее качества.

Отметим влияние выделяемых шести полос частот на звучание отдельных голосов, инструментов и музыкальных звуков (см. фигуру 1).

Первая полоса выделяемых частот (80-125 Гц) соответствует средней части низкочастотного диапазона. В этой области располагаются звуки низкочастотных эффектов, басовых ножных барабанов, «пинок» бочки и нижние обертоны баса в роке и электронной музыке, больших струнных инструментов (бас-гитары, контрабасы), низкие синтезированные звуки, низкие ноты органа. Присутствие этих частот сигнала придает звучанию мощность и энергию, создает ощущение мощности в вокале некоторых выдающихся басовых исполнителей.

Вторая полоса выделяемых частот (125-250 Гц) соответствует верхней части низкочастотного диапазона. В этой области располагаются звучание взрывных звуков голоса и вокала, средних барабанов, барабанов типа тамтама и других ударных инструментов, низкие частоты гитар, синтезаторов и клавишных, средний диапазон бас-гитары, контрабаса и других бас-инструментов, низкие ноты фортепьяно. Присутствие этих составляющих сигнала придает звучанию полноту и теплоту.

Третья полоса выделяемых частот (250-2000 Гц) представляет диапазон средних частот.В этой области расположены диапазоны большей части голосов и инструментов: барабанов, гласных и бубнящих звуков голосов и вокала, гитар, других струнных инструментов, клавишных, перкуссионных инструментов и т.д. Эта область отвечает за формирование тембра, за естественность звучания голоса и обеспечивает эффект присутствия, т.е. позволяет «подчеркнуть» сольное исполнение.

Четвертая полоса выделяемых частот (2-4 кГц) соответствует нижней части высокочастотного диапазона. В этой области располагаются звучания шипящих звуков речи и вокала, гитары, фортепиано, синтезаторов, скрипок, высоких духовых и многих других инструментов. Это область звучания перкуссии, тарелок, малого барабана.

Пятая полоса выделяемых частот (4-8 кГц) соответствует средней части высокочастотного диапазона. В этой области частот находятся обертоны тарелок, треугольников, флейт пикколо, скрипок, верхние обертоны гитар и синтезаторов, а также свистящие и сибилянты голосов и вокала. Область отвечает за четкость и разборчивость речи, придает звучанию инструментов эффекты присутствия и четкости в верхнем диапазоне частот, увеличивает «яркость», насыщенность звучания вокала и инструментов.

Шестая полоса выделяемых частот (8-16 кГц) соответствует верхней части высокочастотного диапазона. Здесь располагаются обертоны звучания голосов и инструментов. Наличие высокочастотных составляющих делает звучание более прозрачным и воздушным, придает естественность, что повышает качество звукопередачи.

Рассмотренные выше шесть полос частот рекомендуются к использованию, применительно к разложению монофонического сигнала на частотные диапазоны.

Для достижения цели, возложенной на предлагаемое устройство, и с учетом выше изложенного, в схему устройства-прототипа вводятся следующие блоки.

К входу первого полосового фильтр 2 устройства подключаются входы еще пять полосовых фильтров, которые совместно образуют блок 16 полосовых фильтров. В каждый из каналов 4 и 7 двухканального преобразователя 3 вводятся по пять последовательно соединенных блока согласования и блока фазосдвигающих звеньев, при этом вход первого блока 5 согласования первого канала 4 преобразования и вход первого блока 8 согласования второго канала 7 преобразования подключаются к выходу первого полосового фильтра 2, вход второго блока 22 согласования первого канала 4 преобразования и вход второго блока 33 согласования второго канала 7 преобразования подключаются к выходу второго полосового фильтра 17, вход третьего блока 24 согласования первого канала 4 преобразования и вход третьего блока 35 согласования второго канала 7 преобразования подключаются к выходу третьего полосового фильтра 18, вход четвертого блока 26 согласования первого канала 4 преобразования и вход четвертого блока 37 согласования второго канала 7 преобразования подключаются к выходу четвертого полосового фильтра 19, вход пятого блока 28 согласования первого канала 4 преобразования и вход пятого блока 39 согласования второго канала 7 преобразования подключаются к выходу пятого полосового фильтра 20, вход шестого блока 30 согласования первого канала 4 преобразования и вход шестого блока 41 согласования второго канала 7 преобразования подключаются к выходу шестого полосового фильтра 21, к выходу второго блока 22 согласования первого канала 4 преобразования подключен вход второго блока 23 фазосдвигающих звеньев первого канал 4 преобразователя, к выходу третьего блока 24 согласования первого канала 4 преобразования подключен вход третьего блока 25 фазосдвигающих звеньев первого канал 4 преобразователя, к выходу четвертого блока 26 согласования первого канала 4 преобразования подключен вход четвертого блока 27 фазосдвигающих звеньев первого канал 4 преобразователя, к выходу пятого блока 28 согласования первого канала 4 преобразования подключен вход пятого блока 29 фазосдвигающих звеньев первого канал 4 преобразователя, к выходу шестого блока 30 согласования первого канала 4 преобразования подключен вход шестого блока 31 фазосдвигающих звеньев первого канал 4 преобразователя, к выходу второго блока 33 согласования второго канала 7 преобразования подключен вход второго блока 34 фазосдвигающих звеньев второго канала 7 преобразователя, к выходу третьего блока 35 согласования второго канала 7 преобразования подключен вход третьего блока 36 фазосдвигающих звеньев второго канала 7 преобразователя, к выходу четвертого блока 37 согласования второго канала 7 преобразования подключен вход четвертого блока 38 фазосдвигающих звеньев второго канала 7 преобразователя, к выходу пятого блока 39 согласования второго канала 7 преобразования подключен вход пятого блока 40 фазосдвигающих звеньев второго канала 7 преобразователя, к выходу шестого блока 41 согласования второго канала 7 преобразования подключен вход шестого блока 42 фазосдвигающих звеньев второго канала 7 преобразователя.

При этом выходы блоков 6, 23, 25, 27, 29 и 31 фазосдвигающих звеньев первого канала 4 преобразователя образуют единый выход 32 канала 4, который подключается к входу первого канала 10 усиления. При этом выходы блоков 9, 34, 36, 38, 40 и 42 фазосдвигающих звеньев второго канала 7 преобразователя образуют единый выход 43 канала 7 преобразователя, который подключается ко входу второго канала 13 усиления.

Блоки фазосдвигающих звеньев, входящие в каждый канал преобразователя обеспечивают фазовый сдвиг 90 эл. градусов между двумя выходными сигналами в соответствующих полосах диапазона частот, чем устраняется корреляционная связь между ними и обеспечивается восприятие более полной глубины и объемности звучания.

Каждый из каналов 10 и 13 усиления работают на свой громкоговоритель, включенный по мостовой схеме, хотя возможны и другие варианты подключения громкоговорителей, что позволяет осуществить наличие неинвертирующего и инвертирующего выходов каналов усиления. Наличие двух выходов в каналах усиления обеспечивается входными фазоинветорами каналов, к каждому выходу которых подключены усилители. При желании прослушивания аудиопрограмм посредством головного стереофонического телефона его следует подключить к однотипным выходам каналов усиления: либо к неинвертирующим выходам, либо к инвертирующим. Возможен вариант использования одновременно двух телефонов, однако при использовании телефона (телефонов) потребуется согласование работы каналов усиления с телефонной нагрузкой, как по сопротивлению, так и по мощности. Отметим необходимость использования высококачественных широкополосных громкоговорителей (в том числе и многоканальных акустических систем) и телефонов.

Из выше изложенного очевидно, что введение в устройство блоков, выполняющих шестиполосное деление спектра монофонического сигнала с последующим получением двух некоррелированных сигналов в каждой полосе, отдельным суммированием сигналов полос в каждом из каналов преобразования и усилением этих сигналов двухканальным усилителем, позволит повысить качество воспроизведения изначально монофонического сигнала за счет придания звучанию эффекта ощущения глубины и объемности. Этому способствует выбор частотного диапазона каждой из шести полос преобразования, в которых сосредоточены наиболее важные составляющие звучания речи, вокала и различных музыкальных инструментов.

Отметим значимость использования предлагаемого устройства для улучшения прослушивания не только монофонических вокальных и музыкальных аудиопрограмм, воспроизводимых с того или иного носителя, но и возможность достичь эффекта звучания «гласного звука голоса» при использовании устройства во время прослушивания игры на электромузыкальных инструментах, таких как электрогитара, бас-гитара, электроскрипка, электронная барабанная установка, электропианино и т.д.

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

- устройство, воплощающие заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в аналоговой звукотехнике, в частности, в звуковоспроизводящих устройствах, выполненных по монолитной, дискретной или смешанной технологиям.

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

- устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение указанного технического результата.

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

Литература

1. Патент РФ на полезную модель №182 702 (RU 182702 U1). МПК H03F 3/181 (2006.01); G10L 21|02 (2013.01); H04R 3|12 (2006.01). Заявка №2017145820, 25.12.2017. Опубл.: 28.08.2018, Бюл. №25

2. Патент РФ на полезную модель №216 722 (RU 216722 U1). МПК H03F 3/181 (2022.08); H04R 3/12 (2022.08); G10L 21/02 (2022.08). Заявка №2022124385, 13.09.2022. Опубл. 22.02. 2023, бюл. №6

Изобретение относится к аналоговой аудиотехнике. Техническим результатом является повышение качества прослушивания монофонических сигналов. Результат достигается тем, что к входу первого полосового фильтр устройства подключаются входы еще пять полосовых фильтров, совместно образующих блок полосовых фильтров, также в каждый из каналов двухканального преобразователя вводятся по пять последовательно соединенных блока согласования и блока фазосдвигающих звеньев, при этом вход первого блока согласования первого канала преобразования и вход первого блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу первого полосового фильтра, вход второго блока согласования первого канала преобразования и вход второго блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу второго полосового фильтра, вход третьего блока согласования первого канала преобразования и вход третьего блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу третьего полосового фильтра, вход четвертого блока согласования первого канала преобразования и вход четвертого блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу четвертого полосового фильтра, вход пятого блока согласования первого канала преобразования и вход пятого блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу пятого полосового фильтра, вход шестого блока согласования первого канала преобразования и вход шестого блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу шестого полосового фильтра, при этом объединенные шесть выходов блоков фазосдвигающих фильтров каждого из каналов преобразователя образуют единый выход канала преобразователя, который подключается ко входу одного из каналов усиления. 2 ил.

Усилительно-преобразовательное устройство, содержащее последовательно соединенные переключатель, первый полосовой фильтр и двухканальный преобразователь, идентичные каналы которого имеют один общий вход и два отдельных выхода, каждый канал преобразователя содержит последовательно соединенные первый блок согласования и первый блок фазосдвигающих звеньев, выход блока фазосдвигающих звеньев каждого из каналов преобразователя подключен к входу одного из двух идентичных каналов усиления, при этом каждый канал усиления, имеющий неинвертирующий и инвертирующий выходы, нагружен на свой громкоговоритель, подключенный по мостовой схеме, отличающееся тем, что к входу первого полосового фильтра подключаются входы еще пяти полосовых фильтров, совместно образующих блок полосовых фильтров, также в каждый из каналов двухканального преобразователя вводятся по пять последовательно соединенных блоков согласования и блоков фазосдвигающих звеньев, при этом вход первого блока согласования первого канала преобразования и вход первого блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу первого полосового фильтра, вход второго блока согласования первого канала преобразования и вход второго блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу второго полосового фильтра, вход третьего блока согласования первого канала преобразования и вход третьего блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу третьего полосового фильтра, вход четвертого блока согласования первого канала преобразования и вход четвертого блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу четвертого полосового фильтра, вход пятого блока согласования первого канала преобразования и вход пятого блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу пятого полосового фильтра, вход шестого блока согласования первого канала преобразования и вход шестого блока согласования второго канала преобразования подключаются к выходу шестого полосового фильтра, при этом объединенные шесть выходов блоков фазосдвигающих фильтров каждого из каналов преобразователя образуют единый выход канала преобразователя, который подключается ко входу одного из каналов усиления.