Способ преобразования электрических сигналов в звуковые волны и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к преобразователям, предназначенным для получения акустических волн из электрических колебаний и излучения акустической мощности в окружающую среду, более конкретно к громкоговорителям. Электрический сигнал звукового диапазона представляют в виде цифрового сигнала в параллельном N-разрядном коде, затем формируют сигналы возбуждения акустических излучателей в виде прямоугольных импульсов, синхронных с частотой дискретизации цифрового сигнала звукового диапазона. Сформированными прямоугольными импульсами одновременно возбуждают число Z акустических излучателей из группы М ≥ 2^N-1 идентичных по излучаемой мощности акустических излучателей. Число Z одновременно возбуждаемых акустических излучателей на каждом интервале времени, равном периоду частоты дискретизации цифрового сигнала звукового диапазона, определяют по формуле Z = A₁ · 2⁰ + A₂ · 2¹ + ... + A_i · 2^i-1 + ... + A_N · 2^N-1, где A₁, A₂, ..., А_i, ..., A_N - весовые коэффициенты, соответствующие значениям "0" или "1" разрядов с 1-го по N-ый цифрового сигнала на упомянутом интервале времени, равном периоду частоты дискретизации цифрового сигнала. Достигаемым техническим результатом является повышение качества воспроизводимых звуковых частот во всем звуковом диапазоне. 2 с. и 8 з. п.ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к преобразователям, предназначенным для получения акустических волн из электрических колебаний и излучения акустической мощности в окружающую среду, более конкретно к громкоговорителям.

Известны способы преобразования электрических сигналов в звуковые волны и реализующие их устройства, содержащие различные средства преобразования электрических сигналов в звук (см. Акустика. Справочник. - М.: Радио и связь, 1989, с. 135-146; Алдошина И. А. Электродинамические громкоговорители. - М.: Радио и связь, 1989; с. 225-263). К недостаткам этих известных технических решений следует отнести неравномерность амплитудно-частотной характеристики, большие искажения, необходимость использования дополнительных акустических средств для улучшения указанных характеристик (см. Акустика. Справочник. - М.: Радио и связь, 1989, с. 147-158). Кроме того, известные громкоговорители и акустические системы невозможно согласовать с электрическим сигналом звукового диапазона, представленным в цифровом виде (далее цифровой сигнал).

Известен способ преобразования электрических сигналов звукового диапазона в звук, при котором преобразуемый электрический сигнал звукового диапазона, представленный в виде цифрового сигнала в параллельном N-разрядном коде, преобразовывают в аналоговый сигнал, формируют сигналы возбуждения акустических излучателей и подают на акустические излучатели (заявка ФРГ N 4205037, кл. H 04 R 1/32, 1993). Из этого источника известно также устройство преобразования электрических сигналов в звуковые волны, содержащее множество акустических излучателей, упорядоченных в линейку или матрицу, на которые подается аналоговый электрический сигнал звукового диапазона. К недостаткам известных способа и устройства преобразования электрических сигналов в звуковые волны относятся неравномерность амплитудно-частотной характеристики, большие искажения, сложность конструкции, обусловливающая высокую стоимость изготовления.

Задачей изобретения является создание способа и реализующего его устройства, обеспечивающих преобразование электрических сигналов звукового диапазона, представленного в цифровой форме, в звуковые волны. Достигаемым при этом техническим результатом является повышение качества воспроизводимых звуковых частот во всем звуковом диапазоне.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе преобразования электрических сигналов в звуковые волны, при котором из цифрового электрического сигнала звукового диапазона формируют сигналы возбуждения акустических излучателей, в соответствии с изобретением упомянутые сигналы возбуждения формируют в виде прямоугольных импульсов, синхронных с частотой дискретизации цифрового сигнала звукового диапазона, сформированными прямоугольными импульсами одновременно возбуждают число Z идентичных по излучаемой мощности акустических излучателей из группы M≥2^N-1 идентичных по излучаемой мощности акустических излучателей, при этом упомянутое число Z одновременно возбуждаемых акустических излучателей на каждом интервале времени, равном периоду частоты дискретизации цифрового сигнала звукового диапазона, определяют по формуле Z = A₁·2⁰ + A₂·2¹ + A_i·2^i-1 + ... + A_N·2^N-1 (1) где A₁,A₂, ..., A_i,..., A_N - весовые коэффициенты, соответствующие значениям "0" или "1" разрядов с 1-го по N-ый цифрового сигнала на упомянутом интервале времени, равном периоду частоты дискретизации цифрового сигнала.

При этом прямоугольные импульсы для возбуждения акустических излучателей формируют с внутриимпульсным заполнением сигналами с частотой, большей частоты дискретизации цифрового сигнала, в частности с частотой сигнала внутриимпульсного заполнения, определяемой по формуле f = m·F (2) где f - частота сигнала внутриимпульсного заполнения прямоугольных импульсов; m - натуральное число; F - частота дискретизации цифрового сигнала.

Указанный технический результат достигается также тем, что устройство для преобразования электрических сигналов в звуковые волны, содержащее множество акустических излучателей, каждый из которых имеет вход подачи сигнала возбуждения, в соответствии с изобретением содержит блок формирования сигналов возбуждения, вход которого соединен с выходом источника цифрового сигнала звукового диапазона, упомянутое множество акустических излучателей выполнено в виде группы из M≥2^N-1 идентичных по излучаемой мощности акустических излучателей, где N -число разрядов цифрового сигнала звукового диапазона, при этом вход подачи сигнала возбуждения каждого акустического излучателя соединен с соответствующим выходом блока формирования сигналов возбуждения, а акустические излучатели выполнены с возможностью излучения акустических сигналов с одинаковой мощностью в виде импульсов прямоугольной формы, длительность которых равна периоду частоты дискретизации цифрового сигнала, блок формирования сигналов возбуждения выполнен с возможностью формирования на каждом интервале времени, равном периоду частоты дискретизации цифрового сигнала звукового диапазона, прямоугольных импульсов для одновременного возбуждения на упомянутом интервале времени числа Z акустических излучателей из группы M≥2^N-1 акустических излучателей, определяемого по формуле (1).

Блок формирования сигналов возбуждения предпочтительно содержит блок определения текущего значения N-разрядного цифрового сигнала, имеющий N информационных входов, соединенных соответственно с входами с 1-го по N-й блока формирования сигналов возбуждения, и M выходов, и M формирователей сигналов возбуждения акустических излучателей, при этом входы формирователей соединены соответственно с выходами блока определения текущего значения цифрового сигнала, а выходы формирователей соединены с соответствующими выходами блока формирования сигналов возбуждения.

Блок формирования сигналов возбуждения может также содержать блок определения текущего значения N-разрядного цифрового сигнала, входы которого соединены соответственно с входами с 1-го по N-й блока формирования сигналов возбуждения, формирователи сигналов возбуждения акустических излучателей, модуляторы и генератор, при этом входы формирователей соединены соответственно с выходами блока определения текущего значения цифрового сигнала, а выходы формирователей соединены с первыми входами модуляторов, выходы которых соединены с соответствующими выходами блока формирования сигналов возбуждения, а вторые входы модуляторов соединены с генератором.

Также блок формирования сигналов возбуждения может содержать блок определения текущего значения N-разрядного цифрового сигнала, входы которого соединены соответственно с входами с 1-го по N-й блока формирования сигналов возбуждения, формирователи сигналов возбуждения акустических излучателей, модуляторы, блок выделения частоты дискретизации входного цифрового сигнала и генератор-умножитель, при этом входы формирователей соединены соответственно с выходами блока определения текущего значения цифрового сигнала, а выходы формирователей соединены с первыми входами модуляторов, выходы которых соединены с соответствующими выходами блока формирования сигналов возбуждения, а вторые входы модуляторов соединены с выходом генератора-умножителя, вход которого соединен с выходом блока выделения частоты дискретизации входного цифрового сигнала, входы которого соединены соответственно с входами с 1-го по N-й блока формирования сигналов возбуждения.

Кроме того, блок формирования сигналов возбуждения может содержать блок определения текущего значения N-разрядного цифрового сигнала, входы которого соединены соответственно с входами с 1-го по N-й блока формирования сигналов возбуждения, формирователи сигналов возбуждения акустических излучателей, логические элементы И и генератор, при этом первые входы логических элементов И соединены соответственно с выходами блока определения текущего значения цифрового сигнала, а вторые их входы соединены с генератором, входы формирователей соединены соответственно с выходами логических элементов И, а выходы формирователей соединены с соответствующими выходами блока формирования сигналов возбуждения.

При этом по меньшей мере один акустический излучатель может быть выполнен в виде группы элементарных акустических излучателей меньшей мощности с суммарной мощностью упомянутой группы излучателей, равной мощности упомянутого акустического излучателя, причем упомянутая группа акустических излучателей может состоять из идентичных по излучаемой мощности элементарных излучателей.

Изобретение основано на следующих теоретических предпосылках.

Для улучшения качества записываемого, воспроизводимого и передаваемого звукового сигнала, а также для упрощения приема и обработки, как известно, звуковой сигнал преобразуют в цифровую форму, т.е. осуществляют его дискретизацию во времени и квантование по уровню, характеристиками которых являются соответственно частота дискретизации F и разрядность квантования N.

Цифровой сигнал имеет два уровня: "0" - нет сигнала и "1" - есть сигнал.

При цифровом способе представления звукового сигнала разрядность квантования определяет количество ступенек от минимального до максимального уровня аналогового сигнала, которое равно 2^N. Например, при 16-разрядном квантовании количество ступенек равно 2¹⁶=65536. Из этого следует, что чем больше ступенек (разрядов), тем точнее передается звуковой сигнал при его преобразовании из аналогового вида в цифровой и обратно.

Другая характеристика преобразования - частота дискретизации. Согласно теореме Котельникова частота дискретизации должна определяться из условия F≥F_max (3) где F_max - максимальная частота преобразуемого сигнала.

После преобразования цифровой сигнал звукового диапазона можно записывать на различные носители, многократно считывать с носителей, передавать по линиям связи, производить различную обработку. Главным достоинством цифрового сигнала звукового диапазона является отсутствие шумов и искажений сигнала, свойственных аналоговым методам записи, считывания, передачи и обработки.

Приемником звука является орган слуха - аналоговое устройство, поэтому необходимо осуществить обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый. При обратном преобразовании цифрового сигнала звукового диапазона в аналоговый вид с помощью цифроаналогового преобразователя и с последующим преобразованием электрических сигналов в звуковые волны с помощью громкоговорителей возникают искажения. При этом громкоговорители вносят самые существенные искажения звукового сигнала.

В соответствии с изобретением предложено звуковой сигнал воспроизводить также ступеньками при помощи цифрового громкоговорителя - устройства преобразования электрических сигналов в звуковые волны. Для получения вышеуказанного количества ступенек (2^N) необходимо по меньшей мере 2^N-1 идентичных по излучаемой мощности акустических излучателей. Кроме того, необходимо, чтобы излучатели такого цифрового громкоговорителя имели два состояния, соответствующие наличию сигнала (после подачи сигнала возбуждения) и его отсутствию (при отсутствии сигнала возбуждения). Также необходимо в каждый интервал времени, синхронный и равный периоду частоты дискретизации звукового сигнала, "включать", т.е. подавать, сигналы возбуждения на некоторое число Z излучателей из общего их количества, определяемое по формуле (1). Таким образом, изменение числа Z одновременно возбуждаемых акустических излучателей, происходит с частотой дискретизации, синхронно (одновременно) с изменением значения цифрового сигнала, т.е. число Z отражает числовое (десятичное) значение цифрового сигнала.

В результате функционирования устройства преобразования электрических сигналов в звуковые волны происходит пространственное сложение всех акустических волн, излучаемых излучателями. Таким образом, число Z определяет "высоту" ступеньки звукового сигнала, т.е. соответствует уровню аналогового сигнала.

Мощность излучения устройства преобразования электрических сигналов в звуковые волны определяется по формуле
где A₁, A₂, . . . , A_i,..., A_N - весовые коэффициенты, соответствующие значениям разрядов с 1-го по N-ый цифрового сигнала, в период времени, равный периоду частоты дискретизации цифрового сигнала, принимающие значения "0" или "1";
P - импульсная акустическая мощность одного акустического излучателя.

Максимальное значение мощности, соответствующее случаю, когда все разряды цифрового сигнала имеют значение "1", равно
P_Σmax= P·(2^N-1) (5)
Минимальное значение мощности, соответствующее случаю, когда все разряды цифрового сигнала имеют значение "0", равно 0.

Промежуточные значения определяются соотношениями "0" и "1" в разрядах цифрового сигнала.

Таким образом осуществляется цифроаналоговое преобразование цифрового сигнала звукового диапазона в аналоговые акустические сигналы. При этом цифроаналоговым преобразователем и громкоговорителем по существу является само устройство преобразования электрических сигналов в звуковые волны. То есть исключается необходимость использования цифроаналоговых преобразователей и аналоговых громкоговорителей и тем самым исключаются присущие им недостатки.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства преобразования электрических сигналов в звуковые волны; на фиг. 2 - 5 - структурные схемы предлагаемого устройства преобразования электрических сигналов в звуковые волны в которых использованы различные варианты выполнения блока формирования сигналов возбуждения; на фиг. 6 - структурная схема одного из вариантов выполнения акустических излучателей; на фиг. 7 - схематичное представление вариантов расположения акустических излучателей; на фиг. 8, 9 - диаграммы сигналов, поясняющие работу предлагаемого устройства преобразования электрических сигналов в звуковые волны.

Как показано на фиг. 1, устройство преобразования электрических сигналов в звуковые волны, выполненное в соответствии с изобретением, содержит блок формирования сигналов возбуждения 1, соединенный с источником электрического сигнала звукового диапазона, представленного в цифровом виде (на чертеже не показан), и акустические излучатели 2₁...2_M.

Фиг. 2 иллюстрирует возможный вариант осуществления блока формирования сигналов возбуждения 1, который содержит блок 3 определения текущего значения N-разрядного цифрового сигнала, имеющий N информационных входов, соединенных соответственно с входами блока формирования сигналов возбуждения, и M выходов. Кроме того, блок формирования сигналов возбуждения содержит M формирователей 4₁. . . 4_M сигналов возбуждения акустических излучателей, входы которых соединены соответственно с выходами блока 3 определения текущего значения цифрового сигнала, а выходы - с выходами блока формирования сигналов возбуждения 1.

Фиг. 3 иллюстрирует второй вариант осуществления блока формирования сигналов возбуждения 1, который содержит блок 3 определения текущего значения N -разрядного цифрового сигнала, входы которого соединены с входами блока формирования сигналов возбуждения 1, формирователи 4₁...4_M сигналов возбуждения акустических излучателей, модуляторы 5₁...5_M и генератор 6. Входы формирователей 4₁-4_M соединены с выходами блока 3 определения текущего значения цифрового сигнала, а их выходы соединены с первыми входами модуляторов 5₁... 5_M, выходы которых соединены с выходами блока формирования сигналов возбуждения 1, вторые входы модуляторов 5₁...5_M соединены с генератором 6.

Фиг. 4 иллюстрирует третий вариант осуществления блока формирования сигналов возбуждения 1, который содержит блок 3 определения текущего значения N-разрядного цифрового сигнала, входы которого соединены с входами блока формирования сигналов возбуждения, формирователи 4₁...4_M сигналов возбуждения акустических излучателей, модуляторы 5₁...5_M, блок 7 выделения частоты дискретизации входного цифрового сигнала и генератор-умножитель 8. Входы формирователей 4₁. . . 4_M соединены с выходами блока 3 определения текущего значения цифрового сигнала, а их выходы соединены с первыми входами модуляторов 5₁. ..5_M, выходы которых соединены с выходами блока формирования сигналов возбуждения 1. Вторые входы модуляторов 5₁...5_M соединены с выходом генератора-умножителя 8, вход которого соединен с выходом блока 7 выделения частоты дискретизации входного цифрового сигнала, входы которого соединены с входами блока формирования сигналов в озбуждения 1.

Фиг. 5 иллюстрирует четвертый вариант осуществления блока формирования сигналов возбуждения 1, который содержит блок 3 определения текущего значения N-разрядного цифрового сигнала, входы которого соединены с входами блока формирования сигналов возбуждения, формирователи 4₁...4_M сигналов возбуждения акустических излучателей, логические элементы И 9₁...9_M и генератор 6. Первые входы логических элементов И 9₁...9_M соединены с выходами блока 3 определения текущего значения цифрового сигнала, а вторые входы - с генератором 6. Входы формирователей 4₁...4_M соединены с выходами логических элементов И 9₁...9_M, а их выходы соединены с выходами блока формирования сигналов возбуждения 1.

Фиг. 6 иллюстрирует вариант выполнения акустических излучателей 2₁...2_M. При этом согласно изобретению по меньшей мере один акустический излучатель 2₁. . . 2_M может быть выполнен в виде группы акустических излучателей 10₁... 10_k.

На фиг. 7 представлены варианты расположения акустических излучателей. Акустические излучатели 2_i-1, 2_i, 2_i+1, как показано на фиг. 7, а - д, могут быть расположены на плоскости в различных конфигурациях.

На фиг. 8 представлены диаграммы сигналов, иллюстрирующие работу предлагаемого устройства преобразования электрических сигналов в звуковые волны, где U - электрические сигналы звукового диапазона в аналоговом виде; D₁...D₄ - сигналы на входе блока формирования сигналов возбуждения, соответствующие разрядам с 1-го по 4-й цифрового сигнала; P₁...P₁₅ -акустическая мощность излучения излучателей соответственно с 1-го по 15-й; P - суммарная мощность излучения устройства преобразования электрических сигналов в звуковые волны.

На фиг. 9 представлены диаграммы сигналов, иллюстрирующие работу предлагаемого устройства преобразования электрических сигналов в звуковые волны, где U - электрические сигналы звукового диапазона в аналоговом виде; D₁...D₄ - сигналы на входе блока формирования сигналов возбуждения, соответствующие разрядам с 1-го по 4-й цифрового сигнала; U_f - сигнал генератора 6, P₁...P₁₅ - акустическая мощность излучения излучателей соответственно с 1-го по 15-й; P - суммарная мощность излучения устройства преобразования электрических сигналов в звуковые волны.

Блок 3 определения текущего значения N-разрядного цифрового сигнала звукового диапазона, использованный в различных вариантах, представляет собой традиционный блок дешифрации цифрового двоичного N-разрядного параллельного кода в соответствии с формулой (1).

Формирователи 4₁. . .4_M, использованные в различных вариантах осуществления изобретения, представляют собой блоки, обеспечивающие согласование уровней цифровых (логических) сигналов с сигналами возбуждения акустических излучателей. Выполнение формирователя зависит от конкретных технологических особенностей акустических излучателей и может быть осуществлено на базе известных схемотехнических решений с использованием различных логических (цифровых) или аналоговых элементов.

Генератор-умножитель 8, использованный в варианте по фиг. 4, представляет собой блок, в котором происходит умножение частоты входного сигнала для дальнейшего его использования в устройстве. Генератор-умножитель может быть выполнен на базе известных схемотехнических решений с использованием различных логических (цифровых) или аналоговых элементов.

Блок выделения частоты дискретизации цифрового сигнала 7, использованный в варианте по фиг. 4, представляет собой блок, в котором из поступающих на его входы разрядов цифрового сигнала производится выделение частоты квантования исходного звукового сигнала с помощью известных схемотехнических решений с использованием различных логических (цифровых) элементов. При этом могут быть задействованы различные сигналы управления, поступающие вместе с цифровым сигналом от источника сигнала или поступающие извне, например от внешней системы управления (на чертежах не показано) (такими сигналами могут быть, например, частота синхронизации, сигнал записи, различные стробирующие сигналы и т.д.).

Модулятор 5₁...5_M, использованный в варианте по фиг. 3 и 4, представляет собой блок, в котором производится заполнение сигналов возбуждения акустических излучателей сигналами внутриимпульсного заполнения от дополнительно введенного генератора. Возможно выполнение модуляторов в виде электронных ключей. Модулятор может быть осуществлен на базе известных схемотехнических решений с использованием различных логических (цифровых) или аналоговых элементов.

Устройство преобразования электрических сигналов в звуковые волны работает следующим образом.

Электрический сигнал U звукового диапазона (для наглядности представленный в виде пилообразного сигнала с 16 ступеньками на фиг. 8,а), преобразованный в цифровой параллельный N-разрядный код (D₁...D₄ на фиг. 8, б - д), поступает в блок формирования сигналов возбуждения 1 (фиг. 1), в котором происходит согласование уровней цифрового сигнала разрядов D₁...D_N (на фиг. 8 и 9 показаны для четырехразрядного сигнала) с уровнями возбуждения акустических излучателей 2₁. ..2_M, в данном случае 2₁...2₁₅. Сигналы возбуждения акустических излучателей формируются из N разрядов полученного цифрового сигнала в виде прямоугольных импульсов. Число сигналов возбуждения, подаваемых на соответствующее число акустических излучателей, для каждого интервала времени, равного периоду частоты дискретизации цифрового сигнала, определяется из N разрядного кода по формуле (1). Сформированными прямоугольными импульсами с помощью акустических излучателей 2₁...2_M формируют акустические импульсные сигналы. Мощности импульсов акустических сигналов P₁...P₁₅ показаны на фиг. 8, е. В излучателях 2₁...2_M происходит преобразование сигналов возбуждения в звуковые волны. При работе устройства преобразования электрических сигналов в звуковые волны происходит пространственное сложение акустических сигналов от акустических излучателей 2₁...2_M. Суммарная мощность акустических излучателей P (фиг. 8, ж) определяется по формуле (4).

Указанное сложение мощностей соответствует преобразованию из цифрового сигнала в аналоговый акустический сигнал.

В варианте устройства преобразования электрических сигналов в звуковые волны, представленном на фиг. 2, упомянутое определение текущего значения количества подаваемых сигналов возбуждения осуществляется в блоке 3 определения текущего значения, а согласование уровней сигналов блока 3 с сигналами возбуждения акустических излучателей 2₁...2_M осуществляется в формирователях 4₁. . . 4_M. Как и в варианте по фиг. 1, акустические излучатели 2₁...2_M возбуждаются сигналами с выходов блока формирования сигналов возбуждения 1. При этом происходит преобразование в акустические сигналы с последующим их пространственным сложением.

В варианте устройства преобразования электрических сигналов в звуковые волны, представленном на фиг. 3, блок формирования сигналов возбуждения 1, кроме блока 3 определения текущего значения, формирователей 4₁...4_M содержит модуляторы 5₁...5_M и генератор 6. Генератор 6 подает сигнал U_f (фиг.9, е) с частотой f, большей частоты дискретизации F цифрового сигнала, на второй вход модуляторов 5₁...5_M, на первый вход которых поступает сигнал возбуждения от формирователей 4₁. . . 4_M, в которых, как и в предыдущем варианте, происходит согласование уровней сигналов с блока 3 определения текущего значения с сигналами возбуждения акустических излучателей 2₁...2_M. В модуляторах 5₁...5_M происходит модуляция сигнала генератора 6 сигналами формирователей 4₁...4_M, иными словами - заполнение импульсного сигнала сигналами большей частоты. Таким образом, на выходе модуляторов 5₁...5_M формируется сигнал внутриимпульсного заполнения генератора 6, модулированный сигналами возбуждения акустических излучателей 2₁...2_M. В данном варианте акустические излучатели 2₁...2_M при излучении акустического сигнала P₁...P₁₅ (фиг. 9, ж) колеблются с частотой сигнала генератора 6. Пространственное сложение акустических сигналов осуществляется аналогично описанному выше. Единственное отличие - суммарный сигнал P (фиг. 9, з) является модулированным. Так как согласно формулам (2...3) и в соответствии с изобретением частота внутриимпульсного заполнения модулированного сигнала выше максимальной частоты воспринимаемого человеком звука, то при прослушивании суммарного сигнала будет восприниматься только огибающая - исходный аналоговый звуковой сигнал. Таким образом, слуховой аппарат человека будет выступать в роли фильтра и детектора.

Вариант устройства преобразования электрических сигналов в звуковые волны, представленный на фиг. 4, отличается от варианта по фиг. 3 тем, что в блоке формирования сигналов возбуждения 1 частота внутриимпульсного заполнения, подаваемая на модуляторы 5₁...5_M, больше частоты дискретизации F в целое число раз. Выделение частоты дискретизации F из цифрового сигнала осуществляется в блоке выделения частоты дискретизации 7, а ее умножение - в генераторе- умножителе 8. В отличие от предыдущего варианта в импульсах сигналов возбуждения содержится целое число периодов частоты внутриимпульсного заполнения, в результате чего обеспечивается исключение некоторых фазовых и других искажений.

Вариант устройства преобразования электрических сигналов в звуковые волны, представленный на фиг. 5, отличается от варианта по фиг. 3 тем, что блок формирования сигналов возбуждения 1 содержит логические элементы И 9₁.. . 9_M, на первый вход которых подается сигнал от блока определения текущего значения 3, а на второй вход - сигнал генератора 6. На выходе логических элементов И 9₁...9_M формируются пачки импульсов с частотой внутриимпульсного заполнения генератора 6 и длительностью, соответствующей длительности соответствующего импульса. Выходы логических элементов И 9₁...9_M соединены с формирователями 4₁. . . 4_M, в которых осуществляется согласование уровней сигналов с логических элементов И 9₁...9_M с сигналами возбуждения акустических излучателей 2₁...2_M.

Если цифровой сигнал будет представлен не виде параллельного N-разрядного кода, то на входе устройства преобразования электрических сигналов в звуковые волны необходимо предусмотреть декодер - устройство преобразования из кодированного сигнала в параллельный N-разрядный код, необходимый для работы устройства, соответствующего изобретению.

Также возможны различные сочетания соединений блоков и узлов в блоке формирования сигналов возбуждения 1 из различных вариантов выполнения, представленных выше. При этом возможны варианты выполнения блоков и узлов, объединяющих несколько функций. Например, генераторы 6 и 8 могут иметь входы управления и вход для подачи внешней тактовой частоты. Входы управления могут предназначаться для подачи управляющих сигналов на генераторы, установки коэффициентов умножения, для переключения режимов и входных сигналов. Кроме того, в варианте осуществления изобретения, в котором на акустические излучатели подаются возбуждающие сигналы с различными частотами внутриимпульсного заполнения, перед формирователями (как в варианте по фиг. 2) можно ввести ждущие генераторы для формирования сигналов с определенными параметрами.

Использование акустических излучателей и соответственно остальных элементов устройства преобразования электрических сигналов в звуковые волны в количестве, превышающем минимально необходимое их число 2^N-1, обеспечивает резервирование указанных элементов, что позволяет при использовании соответствующих средств контролировать состояние этих элементов и подавать сигналы на соответственно выделенную группу элементов.

Так как все акустические излучатели имеют один и тот же принцип работы, то возможна их реализация, при которой акустические излучатели состоят из акустических излучателей меньшей мощности (фиг. 6), что может быть обусловлено особенностями изготовления и использования акустических излучателей, так и устройства преобразования электрических сигналов в звуковые волны в целом.

В основе изобретения лежит принцип пространственного сложения звуковых волн, излучаемых акустическими излучателями. Возможны различные варианты расположения акустических излучателей: на одной плоскости (плоская модель) и в разных плоскостях (пространственная модель). К плоским моделям (фиг.7) можно отнести круг, прямоугольник, многоугольник, эллипс, одно- и многозаходные спирали и т.п. и их сочетание. К пространственным моделям могут быть отнесены полусфера, конус, пирамида, многогранник, эллипсоид, гиперболоид и т.п. и их сочетание. Возможен вариант смешанного расположения акустических излучателей, когда все акустические излучатели располагаются на плоскости, но с различной ориентацией по пространству.

Акустические излучатели могут использовать различные принципы преобразования электрических сигналов и могут быть выполнены в виде механических, пьезоэлектрических, магнитострикционных, плазменных, ионных, электродинамических и т. д. Возможны варианты выполнения акустических излучателей с использованием различных технологий преобразования электрических сигналов.

Предложенное изобретение обеспечивает высокую достоверность воспроизведения звукового сигнала во всем диапазоне частот, простоту согласования с источниками цифрового звукового сигнала при относительной простоте конструкции и экономичности изготовления.

Благодаря использованию изобретения возможно построение "звуковых" систем полностью на цифровых элементах, которые могут включать источник аналогового сигнала (микрофоны), АЦП, устройства предварительной обработки, устройства записи или передачи сигнала, устройства воспроизведения или приема сигнала, устройства для окончательной обработки сигнала для подачи на "цифровой" громкоговоритель и "цифровой" громкоговоритель. Цифровые системы обладают следующими характеристиками: отсутствие всех видов шумов, отсутствие любых искажений, отсутствие детонации устройств записи-воспроизведения, возможность использования любых способов и методов обработки сигналов с применением вычислительных устройств, устройств записи-воспроизведения, возможность реализации неограниченных циклов без потери качества сигнала, различных способов и средств передачи сигнала. Так, например, усиление реализуется простой операцией умножения; увеличение динамического диапазона достигается добавлением требуемого количества разрядов, микширование - простым логическим сложением и т.д.

Наилучшим образом изобретение может быть использовано при создании устройств преобразования электрических сигналов в звуковые волны, обладающих высококачественными характеристиками и оптимальным образом согласованных с цифровыми источниками звукового сигнала, таких как громкоговорители и акустические системы.

Формула изобретения

1. Способ преобразования электрических сигналов в звуковые волны, в котором из цифрового электрического сигнала звукового диапазона формируют сигналы возбуждения электрических излучателей, отличающийся тем, что сигналы возбуждения акустических излучателей формируют в виде прямоугольных импульсов, синхронных с частотой дискретизации цифрового сигнала звукового диапазона, сформированными прямоугольными импульсами, одновременно возбуждают число Z акустических излучателей из группы M≥2^N-1 идентичных по излучаемой мощности акустических излучателей, при этом упомянутое число Z одновременно возбуждаемых акустических излучателей на каждом интервале времени, равном периоду частоты дискретизации цифрового сигнала звукового диапазона, определяют по формуле
Z=A₁·2⁰+A₂·2¹+...+A_i·2^i-1+A_N·2^N-1,
где A₁, A₂, . .., A_i, ..., A_N - весовые коэффициенты, соответствующие значениям "0" или "1" разрядов с 1-го по N-й цифрового сигнала на упомянутом интервале времени, равном периоду частоты дискретизации цифрового сигнала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что прямоугольные импульсы для возбуждения акустических излучений формируют с внутриимпульсным заполнением сигналами с частотой, большей частоты дискретизации цифрового сигнала.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что частоту сигнала внутриимпульсного заполнения определяют по формуле
f=m·F,
где f - частота сигнала внутриимпульсного заполнения прямоугольных импульсов;
m - натуральное число;
F - частота дискретизации цифрового сигнала.

4. Устройство для преобразования электрических сигналов в звуковые волны, содержащее множество акустических излучателей, каждый из которых имеет вход подачи сигнала возбуждения, отличающееся тем, что содержит блок формирования сигналов возбуждения, вход которого соединен с выходом источника цифрового сигнала звукового диапазона, упомянутое множество акустических излучателей выполнено в виде группы из M≥2^N-1 идентичных по излучаемой мощности акустических излучателей, где N - число разрядов цифрового сигнала звукового диапазона, при этом вход подачи сигнала возбуждения каждого акустического излучателя соединен с соответствующим выходом блока формирования сигналов возбуждения, а акустические излучатели выполнены с возможностью излучения акустических сигналов с одинаковой мощностью в виде импульсов прямоугольной формы, длительность которых равна периоду частоты дискретизации цифрового сигнала, блок формирования сигналов возбуждения выполнен с возможностью формирования на каждом интервале времени, равном периоду частоты дискретизации цифрового сигнала звукового диапазона, прямоугольных импульсов для одновременного возбуждения на упомянутом интервале времени числа Z акустических излучателей из группы M≥2^N-1 акустических излучателей, определяемого по формуле
Z=A₁·2⁰+A₂·2¹+...+A_i·2^i-1+...+A_N·2^N-1,
где A₁, A₂, . .., A_i, ..., A_N - весовые коэффициенты, соответствующие значениям "0" или "1" разрядов с 1-го по N-й цифрового сигнала на упомянутом интервале времени, равном периоду частоты дискретизации цифрового сигнала.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что блок формирования сигналов возбуждения содержит блок определения текущего значения N-разряда цифрового сигнала, имеющий N информационных входов, соединенных соответственно с входами с 1-го по N-й блока формирования сигналов возбуждения, M выходов, M формирователей сигналов возбуждения акустических излучателей, при этом входы формирователей соединены соответственно с выходами блока определения текущего значения цифрового сигнала, а выходы формирователей соединены с соответствующими выходами блока формирования сигналов возбуждения.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что блок формирования сигналов возбуждения содержит блок определения текущего значения N-разрядного цифрового сигнала, входы которого соединены соответственно с входами с 1-го по N-й блока формирования сигналов возбуждения, формирователи сигналов возбуждения акустических излучателей, модуляторы и генератор, при этом входы формирователей соединены соответственно с выходами блока определения текущего значения цифрового сигнала, а выходы формирователей соединены с первыми входами модуляторов, выходы которых соединены с соответствующими выходами блока формирования сигналов возбуждения, а вторые входы модуляторов соединены с генератором.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что блок формирования сигналов возбуждения содержит блок определения текущего значения N-разрядного цифрового сигнала, входы которого соединены соответственно с входами с 1-го по N-й блока формирования сигналов возбуждения, формирователи сигналов возбуждения акустических излучателей, модуляторы, блок выделения частоты дискретизации входного цифрового сигнала и генератор-умножитель, при этом входы формирователей соединены соответственно с выходами блока определения текущего значения цифрового сигнала, а выходы формирователей соединены с первыми входами модуляторов, выходы которых соединены с соответствующими выходами блока формирования сигналов возбуждения, а вторые входы модуляторов соединены с выходом генератора-умножителя, вход которого соединен с выходом блока выделения частоты дискретизации входного цифрового сигнала, входы которого соединены соответственно с входами с 1-го по N-й блока формирования сигналов возбуждения.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что блок формирования сигналов возбуждения содержит блок определения текущего значения N-разрядного цифрового сигнала, входы которого соединены соответственно с входами блока формирования сигналов возбуждения, формирователи сигналов возбуждения акустических излучателей, логические элементы И и генератор, при этом первые входы логических элементов И соединены соответственно с выходами блока определения текущего значения цифрового сигнала, а вторые их входы соединены с генератором, входы формирователей соединены соответственно с выходами логических элементов И, а выходы формирователей соединены с соответствующими выходами блока формирования сигналов возбуждения.

9. Устройство по любому из пп. 4 - 8, отличающееся тем, что по меньшей мере один акустический излучатель выполнен в виде группы элементарных акустических излучателей меньшей мощности с суммарной мощностью упомянутой группы излучателей, равной мощности упомянутого по меньшей мере одного акустического излучателя.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что упомянутая группа акустических излучателей состоит из идентичных по излучаемой мощности элементарных излучателей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9