DE2608347A1

DE2608347A1 - Verfahren zur elektronischen simulation von periodischen toenen oder geraeuschen mit hilfe elektronischer digitaler speicherelemente und einen elektronischen simulator dafuer

Info

Publication number: DE2608347A1
Application number: DE19762608347
Authority: DE
Inventors: Sig Alessandro Di Berardino; Umberto Fazio; Sig Antonio Mennella
Original assignee: Contraves Italiana SpA
Current assignee: Contraves Italiana SpA
Priority date: 1975-03-04
Filing date: 1976-03-01
Publication date: 1976-09-23
Also published as: NL7601984A; BE839051A; DE2608347B2; IT1033400B; CH607200A5; JPS51112102A; GB1548993A

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Simulator für periodische Töne oder Geräusche, der zur künstlichen Wiedergabe von vorhandenen Umgebungsgeräuschen vorgesehen ist, z.B. um Personal zu schulen und insbesondere eine Simulationsmethode, die geeignet ist, eine verbesserte Simulation zu erreichen mit einem entsprechenden Simulationsgerät.

Die bekannten Tonsimulatoren verwenden entweder Magnetbandwiedergabegeräte oder elektronische Synthesizer, die kontunuierlich in Zeitabschnitten arbeiten; beide sind schwierig zu bedienen und haben eine begrenzte Leistungsfähigkeit, wie nachfolgend dargelegt wird.

Sowohl die üblichen als auch die mit Endlosband arbeitenden Magnetbandsimulatoren sind in der Wiedergabezeitdauer (des Tones) begrenzt; darüberhinaus benötigt die Auswahl der gewünschten Bandstelle in dem Falle, wo die meisten der Töne sich voneinander unterscheiden^eine bestimmte Zeit, so daß die Qualität und die Wiedergabe der Simulation verschlechtert ist (das Rückspulen kann zwar durch Verwendung von Mehr-Spur-Bändern reduziert, jedoch nicht vermieden werden). Schließlich ist die Zuverlässigkeit dieser Methoden sehr gering und die benötigte Wartung und Instandsetzung sind notwendigerweise häufig und aufwendig, weil bewegte

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mechanische Teile und Baugruppen einer dauernden Abnützung unterworfen sind (Tonköpfe, Band).

Elektronische Simulatoren, die auf der künstlichen Erzeugung von Tönen basieren und kontinuierlich in einem Zeitabschnitt arbeiten, haben andererseits eine starke Qualitätsbegrenzung der simulierten Töne, insbesondere, wenn es sich um einen komplexen (zusammengesetzten) und nur wenig harmonischen Ton handelt, wie zum Beispiel bei einem Motorengeräusch. Dann ist die Erzeugung in dem Frequenzbereich nahezu unmöglich und der erzeugte Ausgangston ist daher notwendigerweise unbefriedigend.

Es ist ein Gegenstand des erfindungsgemäßen Verfahrens, einen Tonsimulator zu schaffen, der die vorerwähnten Nachteile der bereits bekannten Methoden dieser Simulatoren vermeidet. Dieser Simulator soll voll elektronisch sein, soll unterbrechungslos, wirklichkeitsgetreu und zuverlässig die periodischen Töne und Geräusche, die einen begrenzten Frequenzumfang haben wiedergeben können, wie zum Beispiel Musik, Gebläse, Turbinen- oder Motorengeräusche unter gleichbleibenden Bedingungen, zum Beispiel bei konstantem Lauf, wobei zwischen dem Zeitpunkt der Abfrage des Tones und dem Zeitpunkt der Wiedergabe praktisch keine Zeitverzögerung auftritt, unabhängig davon, was der gewünschte Ton auch sein mag.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht im wesentlichen darin, daß ein-Verfahren zur Simulation periodischer Töne oder Geräusche mittels elektronischer Schaltungen sich kennzeichnet durch Abtastschritte in dem Zeitbereich, in dem ein Originalton oder Originalgeräusch simuliert werden soll, wobei diese Abtastung nur einmal während einer Wiederholungsperiode des zu simulierenden Tones oder Geräusches erfolgt mit einer Frequenz, die dem Nyquist-Prinzip entspricht, durch Abspeicherung der so erhaltenen Kette von Abtastungen entsprechend einer vorbestimmten Reihenfolge in digitaler Form in einzelnen Festwertspeicherblöcken, ferner durch wiederholendes, immer in einer gleichen Reihenfolge ab-

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laufendes Lesen, das gleich ist der gespeicherten Kette digitaler Abtastungen, so daß eine digitale periodische Wiedergabe des echten Tones erhalten wird, ferner werden aus den so erhaltenen analogen Signal,Frequenz—und Amplitudenverzerrungen, die von dem Einlesen und von dem Umwandeln von der digitalen in die analoge Form herrühren, eliminiert und schließlich erfolgt die Verwendung dieses analogen Signales in einer Tonwiedergabe zur Simulation des originalen, wirklichkeitsgetreuen Tones.

Zusätzliche Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie die Ausbildung der Vorrichtung sind in den weiteren Patentansprüchen sowie in der Beschreibung noch näher erläutert.

Die Erfindung wird anhand der folgenden sich auf die Zeichnung beziehenden detailierten Beschreibung eines Ausführungsbeispieles noch näher erläutert, wobei es sich nur um ein Beispiel handelt, auf das die Erfindung nicht beschränkt ist. Es zeigt:

Fig. 1 Eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes des wirklichen Signales eines periodischen, zu simulierenden Tones (z.B. das Geräusch eines unter gleichbleibenden Bedingungen arbeitenden Motors),

Fig. 2 eine Veranschaulichung der Impulsabtastung des Signales ,

Fig. 3 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes des simulierten Signales, wie es nach dem Lesen des Speichers erscheint,

Fig. i| eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes des simulierten Signales am Ausgang,

, Fig. 5 ein Blockdiagramm der Signalabtastung und der Anordnung zurSpeicherprogrammierung und

Fig. 6 ein Blockdiagramm des elektronischen Gerätes zur Tonsimulation.

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In Fig. 1 ist dargestellt, wie ein periodisches Signal mit einer Periodendauer T aussehen kann, welches hier das Geräusch eines unter gleichmäßigen (Lauf-)Bedingungen arbeitenden Motors in einem Zeitabschnitt wiedergibt.

In Fig. 2 ist der Abtastvorgang dieses Signales gezeigt, der mit einer Frequenz arbeitet, die höher oder gleich dem doppelten der maximalen durch dieses Signal gegebenen Frequenz entspricht (Nyquist-Prinzip). Dieser Prozess wird nur einmal, bezogen auf die Länge des nicht überflüssigen Signals durchlaufen und wird bei dem Aufzeichnungsschritt des erfindungsgemäßen Simulators benötigt, um die Speicher ein für allemal zu laden. Wenn die Speicher in einer geeigneten Reihenfolge gelesen werden, erhält man ein wiederholbares Signal (Fig. 3) mit der Periode T, das nach geeigneter Filterung zum Eliminieren der Oberwellen (Frequenz- und Amblitudenverzerrung),das Originalsignal genau wiedergibt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Erwähnt sei, daß die vorgenannten Oberwellen aus dem "getrennten" (discrete) Erzeugungsprozess stammen.

Das Blockdiagramm gemäß Fig. 5 enthält hintereinander geschaltet ein Bandgerät 1, das eingangsseitig den zu simulierenden jeweiligen Ton S aufnimmt, einen Block 2, der Auswertungs- und Berechnungsvorrichtungen darstellt, die anschließend beschrieben werden, eine Abtastvorrichtung 3, einen Analog-digital-Wandler 4, eine logische Adressiereinrichtung 5 und einen Festwertspeicher 6, der programmierbar ist (PROM).

Wenn der Speicher mit einem periodischen Ton oder Geräusch programmiert werden soll, wird zunächst dieser Ton S mit dem Bandgerät 1 aufgezeichnet. Mittels einer Spektral- und Zeitanalyse (Block 2) des aufgezeichneten Signales erhält man sowohl die maximale Signalfrequenz F und die Periodendauer T als' auch die Anzahl N der Nyquist-Abtastschritte des Signales. In dem Block 2 wird die Abtastperiode T = 1/2 F* errechnet. Das von dem Band stammende elektrische Signal (Block 3) wird dann ab- · getastet und die einzelnen Abtastungen einer Signalperiode werden dann mit Hilfe des Konverters 4 in eine digitale Form umgewandelt.

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Durch die Adressierlogik 5 wird die Kette der digitalen Abtastungen entsprechend einer vorbestimmten Folge in einem Pestwertspeicherblock des Speichers 6 gespeichert. Dieser Vorgang kann für verschiedene periodische Töne oder Geräusche wiederholt werden, in dem jedesmal ein anderer Speicherblock benützt wird.

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Fig. 6 zeigt den Tonsimulator mit dem Speicher 6, der in verschiedenen Blöcken die digitalen Abtastungen der Periode verschiedener Signale beinhaltet. Ein Meßsender 7 ist mit einem Ausgang mit einem spannungsgesteuerten Oszillator 8 verbunden, dessen Ausgang unter Zwischenschaltung eines Zählers 9 mit dem Speicher 6 verbunden ist. Der Ausgang des Speichers 6 ist mit einem Digital-analog-Wandler verbunden, dem nacheinander ein (Glättungs-) Filter 11, ein Regelverstärker 12, eine Torstufe 13, ein Leistungsverstärker Ik und ein Lautsprecher 15 nachgeschaltet sind. Ein Steuerwerk 16 kann über externe Befehlssignale CE angesteuert werden und hat vier Ausgänge, die jeweils mit dem Meßsender 7j dem Zähler S₃ dem Speicher 6 und mit der Torstufe verbunden ist. Ein zweiter Ausgang des Meßsenders 7 ist mit dem Regelverstärker 12 verbunden.

Die elektronischen Schaltkreise, die in Blockform in Fig. 6 gezeigt sind, sind in der einschlägigen, sich mit elektronischen Systemen befassenden Fachwelt bekannt und werden deshalb hier im Detail nicht beschrieben. Es werden jedoch nachfolgend die Funktionen derjenigen Schaltkreise im einzelnen erläutert, die Teil des Simulators sind und direkt mit diesem zusammenarbeiten.

Steuerwerk 16: Abhängig von den von außerhalb des Simulators kommenden Eingangsbefehlen (zum Beispiel Motorstnrt, gleichbleibender Lauf, Anhalten des Motors, Simulieren von Störungen usw.) wählt er denjenigen Speicherblock an, der das gewünschte Geräusch beinhaltet und bereitet die elektronischen Schaltkreise des Simulators vor zur Erzeugung einer korrekten Synchronisation und der Steuerfrequenzen, die in den übrigen Schaltkreisen benützt werden. Zwischen der Befehlseingabe und der Ausgabe des simulierten Tones vergeht etwa eine Zeit in der Größenordnung von einer Millisekunde, die deshalb für die Simulation vernachlässigbar ist.

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Meßsender 7: Er erzeugt das Zeitsignal für dia Verstärkungsregelung des Tonvorverstärkers 12 und steuert den spannungsgesteuerten Oszillator 8 an, der die passende Frequenfe zum Abfragen der gespeicherten Abtastimpulse erzeugt.

Spannungsgesteuerter Oszillator 8: Er erzeugt die Ansteuerimpulse (clocks) zum Abfragen der gespeicherten Abtastimpulse. In dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Frequenz dieser Ansteuerimpulse konstant und entspricht der Abtastfrequenz, wenn der zu simulierende Ton von einem gleichmäßig laufenden Motor herrührt und dauert genauso lange wie der Abschnitt des gleichbleibenden Motorenlaufes. Dagegen nimmt diese Frequenz zu oder ab, je nachdem ob der Motor bis zur gleichmäßigen Drehzahl zunimmt oder ausläuft.

Zähler 9: Er setzt die vorerwähnte Impulsfolge in eine digitale Zahlenfolge um, die die Adressen der jeweiligen Speicherplätze kennzeichnet, die immer gelesen werden muß, um den Ton laufend zu erzeugen. Nur als erklärendes Beispiel sei angenommen, daß der Ton mit der Länge T, wie in Fig. 1 gezeigt, der Reihe nach in tausend Abtastschritten abgespeichert wird; wenn nun das Kommando zur Erzeugung eines Geräusches eines gleichmäßig laufenden Motors gegeben wird, wird der Zähler die folgende ununterbrochene Zahlenfolge erzeugen: 1,2,3,¹J,-... 999, 1000, 1,2,3,4 ... 999, 1000, 1,2,3,4... usw.

Speicher 6: Er gehört zu dem vorerwähnten programmierbaren Festwertspeicher für die bereits dargelegten Funktionen; es sind dabei genausoviele Speicherbits vorhanden, wie sie der Anzahl der gespeicherten 'Abtastschritte, multipliziert mit der Bitzahl, durch die jeder Abtastimpuls in digitaler Form dargestellt ist, entspricht.

, Digital-analog-Wandler 10: Er setzt die Speicherausgangssignale von der digitalen in die analoge Signalform um; so daß sich die Wellenform wie in Fig. 3 gezeigt, ergibt.

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Glättungs- oder Ausgleiehsfilter 11: Es filtert die bekannten Frequenz- und Amplitudenverzerrungen weg, die von dem vorbeschriebenen (Fig. 3) Lesevorgang der Abtastimpulse herrühren und schafft somit ein Ausgangssignal wie in Fig. gezeigt.

Regelverstärker 12: Seine Aufgabe ist.es, die geeignete Ausgangsleistung zu erzeugen, die der des zu erzeugenden Tones entspricht.

Torstufe 13:.Sie läßt das Tonsignal nur in passenden Zeitintervallen durch und eliminiert unter anderem Ein- und Ausschaltgeräusche (Ein- und AusSchwingvorgänge) des Simulators.

Leistungsverstärker 14: Er steuert den Lautsprecher 15 am Ausgang an.

Kurz zusammengefaßt beinhaltet das Verfahren die Abtastung

eines zu simulierenden Tones, das Abspeichern der so erhaltenen Kette vor Abtastungen, das Lesen der Kette der gespeicherten digitalen Abtastungen, so daß sich eine digitale, periodische Wiedergabe des Tones ergibt, das Umsetzen dieser digitalen Wiedergabe in eine analoge Form, das Eliminieren von Frequenz- und Amplitudenverzerrungen aus dem analogen Signal und Verwendung dieses analogen Signales in einem. Wiedergabesystem zur Simulation des Tones.

Insgesamt ermöglicht der erfindungsgemäße Tonsimulator die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches zum einen auf einer Impuls- Zeit- AbtastungV^^endigen, nicht überflüssigen (hon redundant) Teiles der zu simulierenden, ursprünglich^vorliegenden Toninformation beruht, auf dem systematischen Abspeichern der so erhaltenen Abtastungen in

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Pestwertspeichern und auf dem systematischen (Aus-)Lesen dieser gespeicherten Abtastungen, wenn eine Wiedergabe (Simulation) des ursprünglichen Tones benötigt wird. Der benötigte Teil der Original-Toninformation, z.B. der Ton eines gleichmäßig laufenden Motors, entspricht dabei einer Umdrehung des Motors, (in der restlichen Zeit ist der Ton ein genaues Abbild dieses Tonintervalles); entsprechend diesem Beispiel· geschieht das Lesen der gespeicherten Abtastungen dauernd und unterbrechungslos für jede Phase des gleichmäßigen-Laufes des Motors. Auf dem gleichen Prinzip der Nicht-überflüssigkeit der Toninformation beruhend, kann der erfindungsgemäße Simulator die Töne typischer Einschwingvorgänge wie z.B. das Anfahren oder Auslaufen von Turbinen oder Motoren erzeugen. In diesen Fällen wird das vorgenannte Lesen der gespeicherten Abtastungen bezüglich der Geräusche der gleichlaufenden Turbine oder des Motors mit einer jeweils ansteigenden oder abfallenden Frequenz vorgenommen bzw. in der Zeit, die der Grundschwingung des besagten physikalischen Phänomens entspricht.

Trotzdem nur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und beschrieben wurde, ist es offensichtlich, daß eine Vielzahl von Abwandlungen und Modifikationen möglich sind, ohne vom Umfang der Erfindung abzugehen.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche'

1.· Verfahren zur Simulation periodischer Töne oder Geräusche ^~^ mittels elektronischer Schaltungen, gekennzeichnet durch Abtastschritte in dem Zeitbereich, in dem ein Originalton oder Originalgeräusch simuliert werden soll, wobei diese Abtastung nur einmal während einer Wiederholungsperiode des zu simulierenden Tones oder Geräusches erfolgt mit einer Frequenz, die dem Nyquist-Prinzip entspricht, durch Abspeicherung der so erhaltenen Kette von Abtastungen entsprechend einer vorbestimmten Folge in digitaler Form in einzelnen Festwertspeicherblöcken, ferner durch wiederholendes, immer in einer gleichen Reihenfolge ablaufendes Lesen, das gleich der gespeicherten Kette digitaler Abtastungen ist, so daß eine digitale periodische Wiedergabe des echten (Original-) Tones erhalten wird, ferner durch Umsetzen dieser digitalen Wiedergabe in eine analoge Wiedergabe, wonach aus dem so erhaltenen analogen Signal die von dem Einlesen und von dem Umwandeln von der digitalen in die analoge Form herrührenden Frequenz- und Amblitudenverzerrungen eliminiert werden und--wonach schließlich dieses analoge Signal in einer Tonwiedergabe zur Simulation des original, wirklichkeitsgetreuen Tones verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kette der gespeicherten digitalen Abtastimpulse wiederholend

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mit einer festen, vorbestimmten Frequenz gelesen wird.

3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kette der gespeicherten digitalen Abtastimpulse wiederholend mit einer Frequenz gelesen, die vorbestimmbar variabel ist.

4. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Simulation periodischer Töne oder Geräusche mittels elektronischer Schaltungen nach Anspruch 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß eine Abtastvorrichtung (3) für den zu simulierenden Ton od.dgl. vorgesehen ist, die über einen Analog-digital-Wandler (4) mit einer Addressierlogik (5) verbunden ist, die ihrerseits eine Verbindung zu einem programmierbaren Festwertspeicher (6) aufweist, der zur Abspeicherung der digitalen Kette von Abtastungen dient, und daß dem Speicher (6) ein Digital-analog-Wandler (10) nachgeschaltet ist, der über ein Filter (11) mit einem Tonverstärker verbunden ist.

5- Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Meßsender (7) aufweist, der mit einem dem Filter (11) nachgeschalteten Regelverstärker (12) sowie mit einem spannungsgesteuerten Oszillator (8) verbunden ist, daß der Oszillator (8) einen Zähler (9) ansteuert, der mit dem Speicher (6) verbunden ist und daß der Meßsender (7) eine Verbindung zu einem mit einem eine Eingabevorrichtung aufweisenden Steuerwerk-(16) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach· Anspruch H und 5> dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerwerk (l6) mit dem Speicher (6), mit dem Zähler (9)> mit dem Meßsender (7) und mit einer dem Regelverstärker (12) nachgeschalteten Torstufe (13) verbunden ist.

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