Электроакустический тракт Советский патент 1993 года по МПК H04R5/00 

Повышение качества стереофонического звучания в современной электроакустике достигается путем компенсации связей цепей передачи сигнала с помощью включаемых в тракт устройств электронного расширения стереобазы. Действие таких устройств основано на раздельной обработке синфазной и противофазной составляющих стереофонического сигнала, передаваемых по двум цепям стереотракта.

Полезный эффект, достигаемый с помощью существующих устройств электронного расширения стереобазы, выражается в том, что слушатель воспринимает стерео- звучание ярко окрашенными местными реверберация ми нисходящим из пространства, ширина которого больше реального геометрического расстояния между акустическими излучателями.

Ивестные в электроакустике устройства, с помощью которых достигается указанная выше обработка сигналов стереотракта, выполнены в виде отдельного блока, встроенного в тракт и предназначенного для реализации единственного функционального назначения - электронного расширения стереобазы.

Среди известных устройств электронного расширения стереобазы с обработкой синфазной и противофазной составляющих стереосигнала преимущественно имеет устройство, действие которого основано на использовании отрицательной обратной связи. Это устройствопо сравнению с другими известными, вносит в тракт меньшие нелинейные и фазовые искажения.

В устройстве расширения стереобазы входные сигналы в каждом из двух каналов стереотракта-поступают на делитель напряжения, имещий две концевые и одну выходную клемму. Концевые клеммы каждого из делителей соединены с входной и выходной шиной соответствующего канала, а выходная клемма соединена с входом инвертирующего сумматора напряжения того же канала. На этот же вход с помощью цепи связи подана сумма сигналов с выходов в сумматоров, чем достигнутаа перекрестная отрицательная обратная связь обоих каналов стереотракта. Выходы сумматоров соединены с выходными шинами соответствующих каналов. Коэффициент передачи противофазной составляющей стереосигнала в схеме выбирается больше коэффициента передачи синфазной составляющей сигнала, что обеспечивает компенсацию связей каналов стереотракта и воспринимается слушателем как расширение стереобззы.

Существенным недостатком устройства является значительное изменение уровня

сигнала при изменении стереобазы. Величина сигнала при расширении стереобазы уменьшается тем больше, чем ближе исходный сигнал к монофоническому, т.е. чем

больше ощущаемая слушателем необходимость расширения базы, и в характерных случаях составляет (8... 12) дБ,

Указанный недостаток устройства при- водит к двум дополнительным. Падение

0 уровня сигнала при расширении стереобазы останавливает слушателя на пути к достижению полной компенсации связи каналов, В результате связь каналов компенсируется неполностью и тракт частично

5 сохраняет изначально присущие ему свойства фазового детектора как системы с частично связанными каналами. Неполная компенсация связи каналов приводит к неполному устранению амплитудно-фазовых

0 искажений в тракте.

Помимо этого, неполная компенсация связи каналов приводит к неполному восстановлению сигналов местных реверберации исходного сигнала стереофонии, т.е. к

5 потере части информации об акустической . остановке конценртного зала, иначе говоря к ослаблению эффекта присутствия слушателя в зале.Устройству присущ еще один недоста0 ток. Данное устройство, выполненное на основе применения отрицательной обратной связи, снижает нелинейные, амплитудноча- стотные и фазочастотные искажения лишь в пределах одного звена цепи передачи сиг5 нала - самого устройства расширения стереобазы - и не в состоянии снизить названные искажения в других функциональных звеньях электрических цепей, которые расположены после устройства.

0 Таким образом, устройство само по себе не обеспечивает высокого качества звучания для электроакустического тракта в целом.

Целью изобретения является улучше5 ние качества звучания электроакустического тракта благодаря компенсации электрических связей цепей тракта и снижению нелинейных, амплитудночастотных и физочастотных искажений в звеньях дан0 ных цепей.

Согласно изобретению указанная цель достигается следующим образом.

В электроакустическом тракте с общей шиной, с первой и второй многозвенными

5 цепями передачи сигналов, каждая из которых содержит входную шину, сумматор с инвертирующим входом, усилитель напряжения, усилитель мощности и электроакустический преобразователь, с первым и вторым делителями напряжения, имеющими входную, первую и вторую концевые клеммы, у которых первая концевая клема соединена с входной шиной соответственно первой и второй цепей передачи, повышение качества звуковоспроизведения достиг- нуто тем, что каждый сумматор дополнен неинвертирующим входом, выходная клемма первого и второго делителей соединена с инвертирующим входом сумматора соответственно второй и первой цепей переда- чи, вторая концевая клемма первого и второго делителей соединена с одним или несколькими звеньями соответственно второй и первой цепей передачи, в первую и вторую цепи передачи введены соответст- венно третий и четвертый делители напряжения, имеющие каждый входную, первую и втору концевые клеммы, у которых первая концевая клемма соединена с общей шиной, вторая концевая клемма соединена с входной шиной соответственно первой и второй цепей передачи, а выходная клемма соединена с неинвертирующим входом сумматора соответственно первой и второй цепей передачи.

В частном случае тракта согласно изобретения вторая концевая клемма первого и второго делителей подключена сответст- венно во второй и первой цепях передачи к оконечной нагрузке,введенной в указан- иных цепях передачи между электроакустическим преобразователем и общей шиной.

В другом частном случае такта первый и второй делители подключены второй кон- цевой клеммой к выходу одного или нескольких акустоэлектрических преобразователей, дополнительно установленных на одном или нескольких выходах электроакустических преобразователей первой и второй це- пей передачи.

В третьем частном случае тракта вторая концевая клемма первого и второго делителей подключена к звену соответствующей цепи через соответственно пятый и шестой делители напряжения, включенные между указанным звеном и общей шиной.

В четвертом частном случае тракта выход первого и выход второго делителей соединены с общей шиной через сответст- венно первую и вторую цепи связи

В пятом частном случае тракта первый и второй делители выполнены фиксированными, а третий и четвертый делители выполнены регулируемыми.

В шестом частном случае тракта первый и второй делители выполнены регулируемыми, а третий и четвертый делители выполнены фиксированными.

В седьмом частном случае тракта первый, второй, третий и четвертый делители выполнены регулируемыми.

В восьмом частном случае тракта первый, второй, третий и четвертый делители выполнены фиксированными,

В девятом частном случае тракта между одной из входных шин и общей шиной введен выключатель, замыкаемый при монофоническом входном сигнале,

Новизна тракта заключается в том, что делители напряжения цепей отрицательной обратной связи создающих расширение стереобазы (первый и второй делители напряжения) подключены к одному или нескольким звеньям смежной цепи передачи сигнала и охватывают отрицательной обратной связью не только сумматоры, но и расположенные после них другие Функциональные звенья цепей. В таком тракте отсутствует выделенное функциональное звено расширения стереобазы.

Полезный эффект, реализуемый в тракте, заключается в повышении качества звучания благодаря компенсации связей цепей передачи как в сумматорах, так и в других звенья цепей передачи стереосигнала, кто- рые охвачены отрицательной обратной связью с помощью делителей расширения стереобазы. Полезный эффект достигается также благодаря подавлению нелинейных, амплитудночастотных и фазочастотеых искажений во всех функциональных звеньях тракта, охваченных отрицательной обратной связью через делители расширения стереобазы. Более подробно названные и другие полезные эффекты, достигнутые в трактах согласно изобретения, пояснены ниже.

Сущность, практическая полезность и возможность промьгвшленной реализации изобретения далее пояснены с помощью фигур 1-7: фиг.1 - схема тракта с подключением первого и второго делителей к звеньям цепей передачи сигнала, включенным между сумматором и электроакустическим преобразователем; фиг.2 - схема тракта с подключением первого и второго делителей к выходу делителей напряжения, включе- ных между звеном цепи передачи и общей шиной; фиг.З - схема тракта с подключением первого и второго делителей к оконечной нагрузке, включенной между электроакустическим преобразователем и общей шиной; фиг.4 - схема тракта с подключением первого и второго делителей к выходу электроакустических преобразователей, установленных на акустических выходах электроакустических преобразователей; фиг, 5 - схема тракта с подключением выхоа первого и второго делителей к общей шине через цепь связи;фиг.6 - схема тракта подключением первого и второго делитеей к выходу усилителя мощности и выходу электроакустического преобразователя в каждой цепи передачи сигнала; фиг.7 - графики изменения выходной мощности тракта при расширении стереобазы.

На фиг. 1 тракт передачи сигнала имеет первую и вторую многозвенные цепи переачи сигнала, в состав которых соответственно входят: Ш-1, Ш-2 - входные шины, А-1, ДА-2 -сумматоры-усилители напряжения, iyiA-1, MA-2 - усилители мощности, ВА-1, ВА-2 электроакустические преобразователи.

На фиг.1 также обозначены: ОШ - общая шина двух цепей передачи сигнала; АП

- выходное акустическое пространство, в котором расположены электроакустические преобразователи ВА-1, ВАЧ2 и слушатель Сл. Третий и четвертый делители напряжения в тракте по фиг,1 образованы соответственно элементами цепей Zi, Za и 2з, 2л выходы данных делителей подключены к неинвертирующему входу сумматора ДА-1, ДА-2 соответственно первой и второй цепей передачи сигнала.

Первый и второй делители в тракте по фиг.1 образованы соответственно элементами цепей Za и Ze; Ze выходы данных делителей подключены к инвертирующему входу сумматоров ДА-2, ДА-1 соответственно второй и первой цепей передачи сигнала.

Согласно изобретения на фиг.1 первый и второй делители включены между входной шиной Ш-1, Ш-2 соответственно первой и второй цепей передачи сигнала и расположенным после сумматора звеном соответственно второй и первой цепей передачи в точках Б и А. Первый и второй делители напряжения включены между точками цепей передачи, охватывающими звенья цепей, собственный коэффициент передачи которых значительно больше 1 (как правило, от сотен до десятков тысяч единиц).

Звенья цепей, охваченные с помощью первого и второго делителей отрицательной обратной связью, могут быть выполнены в едином интегральном исполнении; гибридном либо монолитном. В едином интегральном исполнении могут быть выполнены, например, дифференциальный усилитель напряжения ДА-1, ДА-2 и усилитель мощности MA-1, МА-2 соответственно в первой и второй цепях передачи сигнала. Примером такого исполнения служит известная интегральная схема А2030 и ее аналог К174УН19.

В тракте по фиг. 1, в отличие от прототипа, первый и второй делители расширения стереобазы охватывают отрицательной обратной связью как сумматор, так.и следующие за ним звенья электрических цепей передачи сигнала. При этом на фиг.1 для упрощения рисунка показано лишь одно такое звено - усилитель мощности MA-1, МА- 2. В более общем случае в качестве таких

зеньев, охваченных отрицательной обратной связью, служат также регулятор тембра и другие звенья стреотракта, хорошо известные специалистам данной области техники. :. - . .. - : : . .-.. .; :

При напряжениях на входных шинах Ш- 1, Ш-2 первой и второй цепей Л+m п и П + т Л выходные выражения первой и второй цепей в точках Аи В тракта пофиг. 1 определяются выражениями:

для первой цепи передачи сигнаа (точка А)

(Ka-KirO-ntKi- F); (1a)

для второй цепи передачи синала (точка В)

1 + m0 m 1 -Ki

П (K2-kiF)4n (Ki-K2F); (16)

где

Кг

Z6 Ze

Z5+Z6 Zy-rZe

1

- коэффициент передачи первого и вто- 35 рого делитлей от входной шины Ш-1 и Ш-2 к инвертирующему входу сумматора ДА-2 и ДА-1, соответственно;

К2

Z2 Гц

Zi-Z2 Z3+Z4

1

- коэффициент передачи третьего и четвертого делителей от входной шины Ш-1 и Ш-2 к неинвертирующему входу сумматора ДА-1 и ДА-2. соответственно; -.

Л и П - исходные сигналы стереофонии;

гп0 - коэффициент связи цепей передачи сигнала в тракте до входных шин Ш-1,

m -коэффициентсвязи цепей передачи

сигнала на участке от входных шин Ш-1, Ш-2 до точек А и В подключения первого и второго делителей при отключении данных делителей,

F

ГПо Ь ГП

1 Ч- m0m

- функция связи цепей передачи сигнала в тракте до точек А и В.

Связь цепей передачи сигнала, характеризуемая функцией F, ведет, как известно, к ухудшению качества звучания. Эта связь компенсируется в тракте по фиг. 1 при выполнении любого одного из двух условий;

1 + mo m Кз(1-Ki)

Л(К2-К1Р)-П(К1-К2Р); (За)

- для (точка В)

второй цепи передачи сигнала

Ki р

fc Fl Ki F:

(2)

При выполнении любого из условий (2) в тракте достигается электроннное расширение стёрёобазы, при котором сигналы стереофонии в точках А и В цепей передачи сигнала (см.фиг.) соответствуют исходным сигналам стереофонии. Одновременно, отрицательная обратная связь Через первый и второй делители напряжения, создаваемая на участке от входных шин LL1-1, Ш-2 до трчек А и В соединения указанны)- делителей с одним из звеньев цепи передачи, обеспечивает эффективное подавление нелинейных искажений, присущих исходно звеньям тракта, и, при частотной .независй мйсти характеристик делителей, пбдавле- нйе амплитудночастотньтх и фазочастотных искажений в звеньях цепей, охваченных обратной отрицательной связью через- первый и второй делители. Механизмы подавлений нелинейных и частотных искажений в трактате Отрицательной шо известны специалистам данной области

ТехНИКЙ. V- i- :: : %h r: s- : Таким образом в трйктё по фиК1 цепи расширения стёрёобазы повышают качество звучания как благодаря компенсации связей цепей передачи сигнала, так и благодаря автоматическому подавлению нелинейных и частотных искажении в звеньях цепей, охваченных отрицательной обратной Связью/При этом степень подавления искажений практически не зависит/от полноты компенсации связей тракта.

На фиг.2 первый и второй делители тракта подключены к звену цепи передачи сигнала посредством соответственно пятого и шестого делителей напряжения, каждый из которых подключен между одним из звеньев соответствующей цепи передачи и общей шиной. Выходные напряжения цепей передачи сигнала в точках А и В тракта по фиг.2 при сопротивлении элементов цепей Zg; ю и Zii; Zi2, образующих соответственно, пятый и шестой делители, много меньшем, чем сопротивление элементов цепи Ze; 2s, входящих в состав первого и второго делителей, определяется формула ми: „; ..: . гУ ... .-, -; ,:.: .- ; - для первой цепи передачи сигнала (точка А)

1 +m0m

Кз(1 -Ki)

„ « ГД6

ЮZo Кз °

П(К2-К1Р)-Л(К1-К2Р);

Z12 Zg +Zio Zii +Z12

- коэффициент передачи напряжения

для пятого и шестого делителей.

Д5 В тракте по фиг.2 связь цепей передачи

сигнала, характеризуемая функцией F, ком; ..,. пенсйруется при выполнении любого из условий(2).

, ; В Тракте rip фиг.2, как и в тракте по 20.фиг.1, цепи электронного расширения стёрёобазы благодаря создаваемой ими отрицательной обратной связи помимо ;v расширения: стёрёобазы выранивают час- : тотныехараетеристикии подавляют нелиней- 25 ные искажения в рхваченныхртрйцательной .: :.Ь.бр;этн6й с вй з 1.. ве|11уяХ Цё пёй.

; . Дополнительным преимуществом тракX fginic|фиг 2 является вйзмоЛностьустановки

п:необхбдимогр Коэффициента передачи перг вой и втброй цепей тракта с помощью выбо- ра коэффициента передачи Кз пятого и

i -sl .и стого делителе.й;. ;... ; ;; ... ;: v . ;;::

1-1 а фиг.3 первый и вторбй делители тракта подключены к второй и первой це- 3° пям тракта в точках В и А, где соединены Выход электрически цепи электроакустиче- ... скогр преобразователя и вход оконечной на- , грузки И Выходные напряжения цепей передачи сигнала тракта по фиг.З в точках А 4® и В определяются ранее приведенными выражениями (3)), где для тракта по фиг.З

Кз

R

Znp R

1

(4)

- коэффициент передачи напряжения в делителе, образованном комплексным электрическим сопротивлением электроакустического преобразователя Znp и оконечной

нагрузкой с сопротивлением R«Re(Z Пр). При этом, как обычно на практике, |Znp l Ze; Ze.

Выходная акустическая мощность элек- троакустического преобразователя определяется протекающим через него током сигнала. Величина этого тока в Тракте по фиг.З практически не зависит от электрического сопротивления преобразователя и об- для второй цепи передач (1 + т0т)

27

2л2в ZZa

ZZ3 . Z7

F 3

Связь цепей, характеризуемая функцией F, в тракте по фиг.5 для отношения сопротивлений Ze; Z8«Zs; Zy; Z « Ze; Za компенсируется при выполнении любого из двух условий (8), равносильным записанным в общем виде условиям (2):

F.

(8)

Цепочки элементов цепи Ze; Z и Ze; Z подключаются к любому звену цепи передачи сигнала, предпочтительно к последнему с тем, чтобы отрицательная обратная связь цепей расширения стереобазы охватывала наибольшее число звеньев цепи передачи сигнала.

Тракт по фиг.5 имеет те же преимущества расширения стереобазы с одновременным подавлением нелинейных и частотных искажений, что и тракты по фиг. 1-4. Дополнительным преимуществом тракта по фиг.5 является возможность применения сумматоров с малым,входным сопротивлением по инвертирующему и неинвертирующему входам. Это становится возможным благодаря малым значениям сопротивления Z и. согласноо формулам (7), сопротивлений Z2. Z4.

На фиг.б, как частный случай тракта, приведен конкретный пример подключения первого и второго делителей к более, чем одному звену цепей передачи сигнала. Здесь указанные делители подключены к двум звеньям тракта: к выходу усилителя мощности (точки А, А) и, одновременно, к электрическому выходу электроакустического преобразователя (точки В, В).

В тракте по фиг.б при Zs « Z e, Z7«Z a и Zg « , Z « ,Bb|xoAHbie напряжения цепей передачи сигнала в точках А, А определяются выражениями:

- для первой цепи передачи сигнала (точка А)

1Ј+$ Л (К2 - Ki F) - П (К1 - К2 F); (9а)

- для второй цепи передачи сигнала (точка А)

1 + т°.(к2-К1р)-Л(К1-К2Р); (9б)

Кз +Кз

Кг

Ze . Z5 + Ze

Z6 Z67/Z6

к Zs ZIP . Ze Zg+Zio1 IA Ze R Ze.ZnP+R

(10a)

Связь цепей передачи сигнала в тракте по фиг.б компенсируется при выполнении одного из условий (2).

Тракт по фиг.б имеетте же преимущества расширения стереобазы одновременно с подавлением нелинейных и частотных искажений, что и тракты по фиг.1-5. Дополнительным преимуществом тракта по фиг.б является обеспечение стабильного режима тракта в случае отключения электроакустического преобразователя,

Тракты по фиг. 1-6 улучшают качество звучания также тем, что обеспечивают малое изменение выходной мощности при регулировании ширины стереобазы. Это

выгодно отличает тракты пофиг, 1-6отболь- шинства существующих, в которыхх расширение стереобазы приводит к увеличению либо уменьшению мощности.

Изменение выходной мощности 6 в

трактах по фиг; 1-6. определенное относительно значения при Кг 1, Ki 0 дается выражением

35

д а2 (Кг - KQ2 + (К2 + Ki)2 1+а2)(1 -КО2

(11)

Uc

где а т-Д - параметр стереофоничности,

Un

Un и Uc - амплитуда противофазных и синфазных колебаний в двух цепях передачи стереосигнала.

Статистические измерения показывают, что при стереопередачах.1,5 а 5 с центром тяжести распределения параметра а «3,5.

Выходная мощность трактов по фиг.1-6 в процессе расширения стереобазы остается неизменной при регулировании одновре- менно коэффициентов Ki и К2, когда выполняется условие (, т.е. при

-,

5

К1

где К2

(1+аТ+(1 -Kfl

+а2 Ki

«2 (а2-1)

р-; FI - значение функции связи

цепей передачи F, для которого компенсирована связь каналов.

Коэффициенты передачи Ki и fe в первой и второй цепях передачи согласно (12) регулируют с помощью четырех связанных потенциометров. Более экономичен тракт, в котором степень расширения стереобазы регулируют с помощью двух связанных потенциометров, допуская/ незначительное изменение выходной мощности в процессе регулирования. В таком тракте регулируют выборочно один из коэффициентов «1 либо «2, оставляя другой коэффициент передачи (Ка либо Кч) фиксированным. Из графиков фиг.Та, построенных с помощью выражений (11) и (12) при Ка const видно, что-Измене- ние выходной мощности б при расширении стереобазы для каждого из конкретных значений параметра а не превышает 3,..4 дБв широких пределах изменения функции Fill параметра а. Интегральное изменение выходной мощности реального сигнала, в ко. тором существуют на разных частотах компоненты как с малой (1,5...2,5), так и о

больщой (4,5..,5,5) величиной параметра а (для которых знак изменения мощности при расширении стереобазы проти- воположен)

Формула изобретени я .1. Электроакустический тракт, содержащий общую шину, первую и вторую цепи передачи сигналов, каждая из которых состоит из входной шины и сумматора с инвертирующим входом, первый и второй делителин а п ря же н и я, кажд ы и из которы х выполнен с выходной и первой и второй концевыми клеммами, причем первые кон- цевые клеммы соединены с входными шинами соответствующих цепей передачи сигналов, и двухкапальную выходную цепь, первый и второй каналы которой соединены с выходами соответствующих сумматоров, о т л и чаю щи и с я тем, что, каждый сумматор: Дополнен неинвертирующим входом, выходные клеммы первого и второго делителей напряжения соединены с инвертирующими входами сумматоров соответственно второй и первой цепей передачи сигналов, вторые концевые клеммы первого и второго делителей напряжения соединены соответственно с вторым и первым каналами двухканальной выходной цепи, и первую и вторую цепи передачи сигналов введены соответственно третий и четвертый делители напряжения, каждый из которых выполнен с выходной и первой и второй концевыми клеммами, причем обе

незначительно. Несколько больше, но также практически несущественно, изменение выходной мощности тракта при Ki const, К2 const, как видно из графика фиг.7б.

В трактах по существу изобретения может быть выполнена предварительная обработка стереосигнала для компенсации связи цепей передачи сигнала в выходном акустическом пространстве АП.

В трактах по существу изобретения сигнал, поступающий на одну из входных шин Ш-1, LU-2 может быть выключен при сохранении малого сопротивлеия между данной шиной и общей шиной. Результирующие

сигналы на выходах тракта в этом случае соответствуют псевдостереофоническим как при монофонических, так и при стерео фонических входных сигналах. .

Тракты, выполненные по существу изо- бретения, не содержат отдельного звена электронного расширения стереобазы. Функции такого звена совмещены с функциями других звеньев тракта, что делает тракт более простым и экономичным. .

вторые концевые клеммы соединены с общей шиной, первые концевые клеммы - с входными шинами соответственно первой и второй цепей передачи сигналов, а выходные клеммы соединены с неинвертирующими входами сумматоров соответственно первой и второй цепей передачи

. Сигналов. / :././;;: : / /; ; ; / 2. Тракт по п.1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что двухканальная выходная цепь выполнена с оконечными электрическими нагрузками в каждом канале, к которым подключены концевые клеммы соответственно первого и второго делителей напряжения.

А. Тракт по пп.1 и 2, отличающий- с я тем, что двухканальная выходная цепь выполнена с цепями связи в каждом канале,

шунтирующими выходные клеммы первого и второго делителей напряжения.

о

1 2

им о-й 1г

Ш-20

о-чВА-2

z -А - «Риг.-2-.

Фиг.1

Фиг. J

им О

frf 2

W-2O

1ъ

фиг.5

.

ВА-2