Психоакустический процессор

Изобретение относится к устройствам обработки сигналов звуковой частоты и предназначено для изменения формы спектра исходного сигнала в зависимости от уровня громкости прослушивания. Процессор может найти применение в качестве блока прецезионной тонкомпенсации в бытовых звуковоспроизводящих комплексах класса H_i-F_i. Психоакустический процессор, содержащий n-полосный управляемый темброблок и n-канальный блок управления, управляющий выход блока управления соединен с управляющим входом управляемого темброблока, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом процессора, причем введены блок выбора изофонической кривой и измеритель уровня громкости, выход которого соединен с информационным входом блока выбора изофонической кривой, выход оторого соединен с информационным входом блока управления, измеритель уровня громкости служит для измерения уровня громкости звукового сигнала звуковоспроизводящего тракта, в составе которого находится психоакустический процессор. Технический результат состоит в обеспечении автоматического изменения формы спектра выходного сигнала в зависимости от уровня громкости его прослушивания путем учета формы изофоны, соответствующей данному уровню громкости. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Процессор относится к устройствам обработки сигналов звуковой частоты и предназначен для изменения формы спектра исходного сигнала в зависимости от уровня громкости прослушивания. Процессор может найти применение в качестве блока прецизионной тонкомпенсации в бытовых звуковоспроизводящих комплексах класса Hi-Fi.

Уже известен психоакустический процессор (прототип), содержащий n-полосный управляемый темброблок и n-канальный блок управления, каждый канал которого служит для управления темброблоком только в одной полосе частот, управляющий выход блока управления соединен с управляющим входом управляемого темброблока, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом процессора, эталонным входом которого служит n-полосный эталонный вход блока управления, а к n-полосному информационному входу блока управления подключены n полосовых выходов темброблока, служащих для раздельного вывода информации в каждой полосе частот [Заявка №2002132204/09, по которой ФИПСом 30.03.2004 принято решение о выдаче патента, H 03 G 5/16. Формула опубл. 20.05.2004].

Прототип позволяет автоматически изменять спектр исходного сигнала в соответствии с произвольно заданными требованиями. Однако громкость прослушивания аудиопрограмм здесь никак не учитывается. В то же время общеизвестно, что слуховой аппарат человека в зависимости от громкости звука по-разному воспринимает различные участки частотного диапазона, что на практике требует принятия мер по преобразованию спектра сигнала таким образом, чтобы все частотные составляющие воспринимались слушателем как равногромкие звуки.

Недостаток прототипа - отсутствие функциональной связи, основанной на психоакустических закономерностях, между формой спектра выходного сигнала и уровнем громкости прослушивания указанного сигнала, преобразованного в акустическое излучение.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в обеспечении автоматического изменения формы спектра выходного сигнала в зависимости от уровня громкости его прослушивания путем учета формы изофоны, соответствующей данному уровню громкости.

Технический результат достигается тем, что в психоакустический процессор, содержащий n-полосный управляемый темброблок и n-канальный блок управления, каждый канал которого служит для управления темброблоком только в одной полосе частот, управляющий выход блока управления соединен с управляющим входом управляемого темброблока, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом процессора, согласно изобретению введены блок выбора изофонической кривой и измеритель уровня громкости, выход которого соединен с информационным входом блока выбора изофонической кривой, выход которого соединен с информационным входом блока управления, измеритель уровня громкости служит для измерения уровня громкости звукового сигнала, воспроизводимого трактом, в составе которого находится психоакустический процессор.

Информационный вход измерителя уровня громкости может служить либо для подключения измерительного микрофона, расположенного в точке прослушивания звуковых сигналов,либо для соединения с выходом оконечного усилителя звуковоспроизводящего тракта, в составе которого находится психоакустический процессор.

Сущность изобретения иллюстрируется функциональными схемами.

На фиг.1 показана функциональная схема психоакустического процессора, включенного в звуковоспроизводящий тракт; на фиг.2 - функциональная схема блока управления; на фиг.3 - функциональная схема блока выбора изофонической кривой.

Функциональная схема по фиг.1 содержит психоакустический процессор, включающий в себя управляемый темброблок 1, блок 2 управления, блок 3 выбора изофонической кривой и измеритель 4 уровня громкости. Кроме того, на фиг.1 показаны усилитель 5 звуковых частот с подключенной акустической системой 6 и измерительный микрофон 7. Входом психоакустического процессора служит вход управляемого темброблока 1, N управляющих входов которого составляют единый вход и соединены с соответствующими N выходами (единый управляющий выход) блока 2 управления, информационный вход которого соединен с выходом блока 3 выбора изофонической кривой, информационный вход которого соединен с выходом измерителя 4 уровня громкости, к информационному входу которого подключен измерительный микрофон 7. Выход управляемого темброблока 1, являющийся выходом психоакустического процессора, соединен со входом усилителя 5.

Функциональная схема блока 2 управления (фиг.2) содержит группу 8 преобразователей кода изофонической кривой в сигналы управления темброблоком 1 и группу 9 ключей, выходы N ключей группы 9 служат N выходами блока 2 управления, N многоразрядными входами (единый информационный вход) которого служат входы преобразователей группы 8, выходы которых подключены к входам N соответствующих ключей из группы 9, управляющие входы ОЕ которых объединены и составляют управляющий вход блока 2 Output Enable - разрешение выхода.

Блок 3 выбора изофонической кривой (фиг.3) состоит из аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 10 и программируемого постоянного запоминающего устройства 11 (ППЗУ), адресный вход которого соединен с выходом АЦП 10, вход которого служит информационным входом блока 3, выходом которого служит выход ППЗУ 11, разделенный на N многоразрядных секций, предназначенных для соединения с N многоразрядными входами блока 2.

Принцип действия психоакустического процессора, основу которого составляет управляемый темброблок 1, предполагает хранение в памяти устройства (фиг.1) изофонических кривых, которые можно представить в виде многомерных векторов

U_i={u_i(ω₁),u_i(ω₂),...,u_i(ω_N)},

где U_i - вектор, описывающий изофону, соответствующую i-му значению дискретно измеренного уровня громкости (i=1,2,...,I);

u_i(ω_n) - управляющий код, соответствующий частоте ω_n(n=1, 2,..., N) и i-му значению уровня громкости;

ω_H≤ω_n≤ω_в, ω_н - нижняя граничная частота, ω_в - верхняя граничная частота рабочего диапазона психоакустического процессора.

Векторы U_i, соответствующие различным уровням громкости, входят в априори определенное множество и в процессе работы процессора извлекаются из памяти блока 3 выбора изофонической кривой по результатам измерения блоком 4 реального уровня громкости, после чего в блоке 2 управления происходит преобразование выбранных данных непосредственно в управляющие напряжения темброблока 1. Таким образом изменение уровня громкости автоматически приводит к перестройке амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) темброблока 1, что необходимо для изменения спектра выходного сигнала в соответствии с психоакустическими особенностями восприятия звуков различных частот.

Изофоны выбираются исходя из рекомендаций ISO (International Standartisation Organisation), учтенных в стандарте DIN 45630. В предлагаемом варианте исполнения блока 3 выбора изофонической кривой изофоны представляются в виде N отсчетов по оси частот и записываются в ППЗУ 11 по адресам согласно их уровням громкости, то есть по i-му адресу хранится изофона, соответствующая i-му значению уровня громкости. Располагают данные по адресам в порядке возрастания уровней громкости, если не предусматриваются особые меры (см. ниже). При равномерном представлении оцифрованных данных каждый отсчет изофоны будет состоять из m разрядов и, следовательно, для записи одной изофоны понадобится (m×N) разрядов. Причем это деление с аппаратурной точки зрения сугубо условное: выходной многоразрядный код ППЗУ 11 условно делится на N секций по m разрядов, и каждая секция используется для управления строго своим каналом N-полосного (канального) темброблока. Если допустить, что измеритель 4 уровня громкости является устройством аналоговым, выходной сигнал которого это напряжение, определяющее измеренную громкость, то для обращения к ППЗУ 11 понадобится АЦП 10 с разрядностью, равной разрядности адресного пространства ППЗУ 11.

Блок 2 управления занят непосредственно переводом вектора U_i в сигналы управления темброблоком 1 и строится в зависимости от особенностей управления темброблоком. В простейшем для понимания случае, если допустить, что для управления каждым каналом темброблока используются электронные регуляторы (обычно электронные аналоги переменных резисторов, собранные на полевых транзисторах), входное управляющее напряжение которых определяет коэффициент передачи канала, то в качестве блока управления можно будет использовать структуру, представленную на фиг.2, Основу такого блока управления составляет линейка преобразователей 8-1-8-N, функции которых состоят в преобразовании цифрового кода с выхода ППЗУ 11 в напряжение управления аналоговыми регуляторами темброблока 1. Преобразователь, входящий в линейку 8, состоит из последовательно включенных низкоскоростного цифроаналогового преобразователя и масштабирующего усилителя выходного напряжения. Аналоговые ключи 9-1-9-N служат для отключения непрерывной автоматической тонкомпенсации: при ОЕ=1 сигналы с выходов преобразователей 8 беспрепятственно проходят через ключи 9 на управляющий вход темброблока 1, а при ОЕ=0 цепи передачи управляющих сигналов размыкаются. В последнем случае происходит перевод темброблока 1 в режим ручной регулировки, для чего в темброблоке 1 следует предусмотреть либо возможность переключения управляющего входа на делители напряжения на потенциометрах, либо подавать на управляющий вход фиксированные значения напряжения (по числу каналов, например). Указанный режим для настоящего психоакустического процессора является дополнительным, неосновным и вопросы управления в этом режиме непринципиальны. Принципиальным является случай импульсного управления частотной коррекцией.

Особенностью импульсного режима управления является подача корректирующих воздействий не непрерывно, а кратковременно для однократного в течение некоторого интервала времени изменения АЧХ темброблока. Такой режим позволяет исключить возможную паразитную модуляцию формы АЧХ темброблока выходным напряжением измерителя 4 уровня громкости. Однако для реализации импульсного режима коррекции в темброблоке 1 или в блоке 2 необходимо предусмотреть возможность запоминания последних значений управляющих сигналов на выходе блока 2. Для управления схемами запоминания мгновенных значений можно использовать те же сигналы ОЕ, что и для включения/отключения ключей 9. В данном случае речь идет о запоминании аналоговых величин, хотя предпочтительней вариант запоминания цифровых значений, поступающих на входы преобразователей 8. Запоминание двоичных кодов, подаваемых на входы преобразователей блока 2 управления, эквивалентно запоминанию выходного кода АЦП 10 блока 3. Учитывая, что фиксация выходного кода в АЦП является типичной операцией алгоритмов их функционирования, то вводить дополнительные элементы памяти для запоминания последних значений корректирующих воздействий в цифровом виде нет необходимости. Для этого можно с успехом использовать встроенные в АЦП выходные буферные регистры. При этом необходимо лишь предусмотреть дополнительные цепи управления АЦП, по которым, в зависимости от конструкции АЦП, либо придется останавливать тактирование АЦП, либо непосредственно управлять записью в выходной буферный регистр АЦП. Отметим также, что в случае запоминания вместо аналоговых цифровых значений корректирующих воздействий от ключей группы 9 можно вообще отказаться, так как для реализации импульсного режима управления достаточно будет зафиксировать данные в памяти АЦП 10.

Вопросы, связанные с введением в психоакустический процессор импульсного режима работы, следует решать с учетом особенностей и возможностей измерителя 4 уровня громкости. Объясняется это тем, что при достаточно большом времени интеграции измерителя 4 паразитная модуляция формы АЧХ может быть незначительной и к ощутимым на слух частотным искажениям не приведет. Исключение составляют лишь большие паузы в аудиопрограммах, во время которых может произойти необоснованная перестройка АЧХ. Для предупреждения подобной перестройки темброблока 1 в ситуации, когда на выходе измерителя напряжение близко к нулю, в ППЗУ 11 по начальным адресам (от нулевого до нескольких первых) следует записать коды векторов U_i соответствующих изофонам наиболее часто встречающихся уровней громкости. В этом случае даже при длительных паузах или вообще при отсутствии сигнала, например, в начальный период работы процессора, темброблок 1 будет настраиваться на некоторый средний уровень, например, в 40 фон.

Исходной информацией для психоакустического процессора является уровень громкости прослушиваемых аудиопрограмм. Наиболее достоверную информацию может дать вариант подключения к измерителю 4 микрофона 7, установленного в точке прослушивания. Именно такая схема применения процессора и показана на фиг.1, где процессор включен перед оконечным усилителем 5, нагруженным, в свою очередь, акустическим излучателем 6, перед которым находятся слушатели и измерительный микрофон 7. Однако на практике схема с измерительным микрофоном часто бывает неудобна, и поэтому как компромисс следует предусмотреть и вариант косвенной оценки уровня громкости по значению выходного напряжения усилителя 5. В бытовых условиях данный вариант наиболее реален.

1. Психоакустический процессор, содержащий n-полосный управляемый темброблок и n-канальный блок управления, управляющий выход блока управления соединен с управляющим входом управляемого темброблока, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом процессора, отличающийся тем, что в него введены блок выбора изофонической кривой и измеритель уровня громкости, выход которого соединен с информационным входом блока выбора изофонической кривой, выход которого соединен с информационным входом блока управления, измеритель уровня громкости служит для измерения уровня громкости звукового сигнала звуковоспроизводящего тракта, в составе которого находится психоакустический процессор.

2. Психоакустический процессор по п.1, отличающийся тем, что информационный вход измерителя уровня громкости служит для подключения измерительного микрофона, расположенного в точке прослушивания звуковых сигналов.

3. Психоакустический процессор по п.1, отличающийся тем, что информационный вход измерителя уровня громкости служит для соединения с выходом оконечного усилителя звуковоспроизводящего тракта, в составе которого находится психоакустический процессор.

4. Способ прецизионной тонкомпенсации, предусматривающий изменение формы спектра выходного сигнала, отличающийся тем, что запоминают изофоны, измеряют уровень громкости прослушивания выходного сигнала и изменяют форму спектра выходного сигнала в зависимости от громкости его прослушивания путем учета формы изофоны, соответствующей измеренному уровню громкости.