PL174848B1 - Urządzenie do odtwarzania sygnałów akustycznych - Google Patents

Abstract

1. Urzadzenie do odtwarzania sygna- lów akustycznych w zakresie czestotliwosci stereofonicznych, skladajace sie z jednego lub wiecej przetworników elektroaku- stycznych wraz z przynaleznymi uklada- mi sterujacymi, znamienne tym, ze kazdy przetwornik elektroakustyczny jest wy- posazony w polozony wzdluznie na jego osi odcinek falowodu akustycznego, przy czym odcinek ten jest polaryzatorem aku- stycznym, a powierzchnie czolowe tego odcinka sa biegunami polaryzatora aku- stycznego przy pobudzaniu przetwornika elektroakustycznego, przez polaczony z tym przetwornikiem uklad sterujacy. Fig. 1 PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do odtwarzania sygnałów akustycznych w zakresie częstotliwości stereofonicznych.

Znane urządzenia umożliwiające uzyskanie realistycznych efektów stereofonicznych wymagają stosowania słuchawek. Oba przetworniki sygnałów akustycznych znajdujące się w słuchawkach wytwarzają fale dźwiękowe skierowane naprzeciwko siebie, to znaczy są one wzajemnie do siebie przesunięte o 180°. Oś, na której są usytuowane słuchawki jest równoległa do osi łączącej uszy słuchacza, a tym samym położenie tej osi jest dostosowane do wymagań słuchu człowieka. Zapewnia to uzyskanie realistycznego efektu stereofonicznego.

Jednakże wadą takiego rozwiązania jest konieczność wyposażenia każdego ze słuchaczy w słuchawki.

W celu nagłośnienia pomieszczenia, w którym znajduje się wielu słuchaczy, stosuje się zestawy głośnikowe, rozmieszczone w tak zwanym trójkącie stereofonicznym. Urządzenie takie wymaga ustawienia zwykle co najmniej dwu głośników, które wytwarzają odrębne, całkowicie od siebie niezależne pola akustyczne. Układ stereofoniczny tego typu daje bardzo dobry efekt stereofoniczny na linii środkowej, usytuowanej pomiędzy głośnikami. Korzystanie z tego efektu przez większą ilość słuchaczy jest jednak problematyczne. Już bowiem niewielkie, kilkucentymetrowe oddalenie od linii środkowej zmienia zdecydowanie jakość efektu stereofonicznego. Przyczyną tego jest to, że zarówno czasy przebiegów jak i natężenie dźwięków są zależne od odległości źródła dźwięku od uszu słuchacza. Poza linią środkową jakość efektu stereofonicznego bardzo znacząco się obniża. Dlatego też pożądane są takie urządzenia, szczególnie zbudowane jako zwarta całość, które niezależnie od swojego usytuowania zapewniają uzyskanie efektu stereofonicznego o wysokiej jakości.

Znane są także zestawy głośnikowe, umieszczone w jednej obudowie, czyli tak zwane urządzenia monolityczne, zapewniające uzyskanie plastycznego wrażenia przestrzenności sali nagraniowej o stosunkowo niezłej jakości.

W publikacji z 1959 r., zawartej w THE JOURNAL OF THE ACOUSTICAL SOCIETY OF AMERICA (Vol. 31, No 9 (Listener Reaction to Stereophonic Reproduction by Reflected Sound, str. 1256-1259) jej autorzy LEVI, Sidney i inni, ujawnili, że słuchacze pozytywniej od urządzenia zawierającego oddzielne kolumny głośnikowe, oceniali monolitycznie zbudowane urządzenia stereofoniczne z głośnikami umieszczonymi naprzeciw siebie i emitującymi na boki. W urządzeniu opisanym w tej publikacji, w celu wzmocnienia efektów stereofonicznych zastosowano dodatkowo równoległoosiowe, usytuowane korzystnie na bokach panele, przeznaczone do wytwarzania twardych dźwiękowo odbić od bocznych ścian pomieszczenia.

Znane są także monolitycznie zbudowane urządzenia stereofoniczne, takie jak ekrany dźwiękowe, tak zwany stereolit opisany w opisie patentowym US 4,837,826 lub

FR 2,345,046 albo też podzielona wewnątrz giętka rura, o której mowa w opisie patentowym US 4,501,934 albo obudowa o kształcie rurowym z dwoma przetwornikami ujawniona w opisie patentowym US 3,995,124. Wszystkie te rozwiązania pracują ze znacznymi odbiciami dźwięku, przez co efekt stereofoniczny jest znacznie zakłócony.

Z opisu patentowego EP 0 256 688 A2 znane jest urządzenie wyposażone w pary głośników i mikrofonów, umieszczonych w kształtce rurowej. Pary głośników względnie mikrofonów są nachylone ekstremalnie ukośnie do głównego kierunku linii ich 'działania określonej rozchodzeniem się fali, a ponadto głośniki są niekorzystnie w stosunku do siebie zaekranowane, co prowadzi do pogorszenia efektu stereofonicznego.

Z opisu patentowego US 5,109,416 znane jest jeszcze inne urządzenie głośnikowe do stereofonicznego odtwarzania fal akustycznych, w którym w konwencjonalny sposób na środkowej ścianie działowej obudowy są umieszczone przeciwsobnie dwa głośniki. W urządzeniu tym powstają odbicia i zawirowania, które przeciwdziałają wytwarzaniu realistycznego efektu stereofonicznego.

Opisane wyżej rozwiązania nie nadają się do odtwarzania stereofonicznego z dobrym efektem stereofonicznym, niezależnie od usytuowania słuchacza.

W celu zapewnienia jednoznaczności użytych w dalszej części opisu istoty wynalazku pojęć z dziedziny akustyki przyjęto następujące ich definicje:

Pojęcie zakres częstotliwości stereofonicznych oznacza wszystkie częstotliwości akustyczne¹ za - wyjątkiem basów. Basy nie mają bowiem znaczenia dla osiągnięcia efektu stereofonicznego.

Pojęcie falowód akustyczny oznacza przewód, utworzony z materiałów dobrze przewodzących fale akustyczne, przy czym materiały te posiadają taką strukturę, w której energia akustyczna rozprzestrzenia się w kierunku osiowym z małymi stratami, zaś w kierunku poprzecznym z dużymi stratami. Definicja taka jest w dużym stopniu analogiczna z definicją falowodu świetlnego, nazywanego światłowodem. Falowód akustyczny z definicji posiada taką budowę (cechy strukturalne i materiałowe), aby nie spowodowała ona odbić fal lub, aby nie powstały zawirowania czynnika przenoszącego fale akustyczne.

Pojęcie polaryzator akustyczny oznacza taki element mechaniczny, który przy przechodzeniu przez niego fal akustycznych, będących falami wzdłużnymi, jest pobudzany do drgań wzdłuż kierunku propagacji tych fal.

Polaryzatorem akustycznym zgodnie z wynalazkiem jest odcinek falowodu akustycznego, który w czasie przesyłania przezeń fal akustycznych drga wzdłuż swej osi i w rezultacie z obu jego powierzchni czołowych są emitowane fale akustyczne o różnych fazach i/lub amplitudach. Powierzchnie czołowe odcinka falowodu generują pole akustyczne, które rozprzestrzeniają się poprzez otoczenie polaryzatora. Zgodnie z wynalazkiem, dzięki wytworzonej na końcach polaryzatora akustycznego różnicy ciśnień powstaje moment dipolowy i dlatego powierzchnie czołowe odcinka falowodu stanowią fizyczne bieguny polaryzatora akustycznego.

Urządzenie do odtwarzania sygnałów akustycznych w zakresie częstotliwości stereofonicznych, według wynalazku, opiera swą konstrukcję na zamierzonym wykorzystaniu zjawiska polaryzacji sygnałów akustycznych, dotychczas nie uwzględnianym przy konstruowaniu znanych w stanie techniki tego typu urządzeń.

Urządzenie według wynalazku, składające się z jednego lub więcej przetworników elektroakustycznych oraz połączonych z nimi układów sterujących, charakteryzuje się tym, że każdy przetwornik elektroakustyczny jest wyposażony dodatkowo w położony wzdłużnie na jego osi odcinek falowodu akustycznego. Odcinek ten jest polaryzatorem akustycznym, a jego powierzchnie czołowe są biegunami tego polaryzatora przy pobudzaniu przetwornika przez połączony z nim układ sterujący.-Powierzchnie te w stanie, w którym przetwornik elektroakustyczny jest pobudzony przez układ sterujący, są zatem biegunami dipola akustycznego. Odcinek falowodu w trakcie propagacji fal akustycznych drga wzdłuż swej osi i w rezultacie z obu jego powierzchni czołowych są emitowane

174 848 fale akustyczne o różnych fazach i/lub amplitudach. Powierzchnie czołowe odcinka falowodu generują pole akustyczne, które rozprzestrzenia się poprzez otoczenie polaryzatora. Zgodnie z wynalazkiem, dzięki wytworzonej na końcach polaryzatora akustycznego różnicy ciśnień powstaje moment dipolowy i dlatego powierzchnie czołowe odcinka falowodu stanowią fizyczne bieguny polaryzatora akustycznego.

Odcinek falowodu akustycznego posiada postać wydłużonego, wydrążonego korpusu, korzystnie w kształcie rury o cienkiej ściance z tworzywa sztucznego lub metalu.

Odcinek falowodu akustycznego w kształcie korpusu, 'zwłaszcza o dużej średnicy w stosunku do jego długości, może być złożony, zgodnie z wynalazkiem z wzajemnie równoległych, ściśle do siebie przylegających, płaskich albo zrolowanych warstw, przy czym powierzchnie czołowe takiego odcinka falowodu są powierzchniami możliwie płaskimi i ustawionymi prostopadle do osi wzdłużnej korpusu, a w szczególności mogą być cienkimi membranami, zwłaszcza membranami przetworników sygnałów akustycznych takich jak głośniki.

We wnętrzu korpusu wyznaczonego odcinkiem falowodu może być umieszczona co najmniej jedna wiązka lub warstwa utworzona z przebiegających wzdłużnie rurek, sztabek lub włókien.

Zgodnie z wynalazkiem, nie mniej niż jeden spośród równoległych i położonych obok siebie odcinków falowodów akustycznych znajduje się w wydłużonej, wspólnej ich obudowie.

Na zewnątrz jednego lub więcej równoległych i położonych obok siebie falowodów akustycznych mogą być usytuowane wydłużone, płaskie lub zwichrowane płyty, przy czym płyty w tej ostatniej postaci mogą posiadać powierzchnię stożkową, zwłaszcza uformowaną hiperbolicznie, a wtedy odcinki falowodów są umieszczone w osi krzywizny tej powierzchni.

Natomiast, wykonany zgodnie z wynalazkiem, układ sterujący każdego z urządzeń, z których każde tworzy jeden kanał stereofoniczny i zawiera przynajmniej dwa wzajemnie równoległe, sąsiednio do siebie położone odcinki falowodów akustycznych, z których każdy zawiera przynajmniej jeden przetwornik elektroakustyczny, jest wyposażony w przesuwnik fazowy sygnałów sterujących w tym kanale stereofonicznym.

Układ sterujący zawarty w urządzeniu zgodnym z wynalazkiem, sterujący każde z urządzeń tworzących jeden kanał stereofoniczny i zawierającego przynajmniej dwa wzajemnie równoległe, sąsiednio do siebie położone odcinki falowodów akustycznych, z których każdy zawiera przynajmniej jeden przetwornik elektroakustyczny, może być wyposażony w przesuwnik fazowy sygnałów sterujących w tym kanale stereofonicznym, może też zawierać co najmniej jeden filtr pasmowo-przepustowy dla sygnałów sterujących tego kanału stereofonicznego, może także mieć mikser sygnałów sterujących dwa z kanałów stereofonicznych, a także ewentualnie linearyzator charakterystyki amplitudowej i/lub fazowej sygnałów sterujących kanały stereofoniczne każdego z urządzeń.

Przedmiot wynalazku, w przykładzie wykonania jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 pokazuje polaryzator akustyczny P, wykonany w kształcie odcinka rury, stanowiącej odcinek falowodu akustycznego 1 z przetwornikiem elektroakustycznym 2.

Przy pomocy urządzenia wykonanego zgodnie z wynalazkiem uzyskano zaskakująco dobry efekt stereofoniczny, przy czym odtworzone z sali nagraniowej dźwięki okazały się mieć prawie nie zniekształconą formę. Efekt ten występuje niezależnie od usytuowania słuchaczy w pomieszczeniu i od umiejscowienia urządzenia. Tak proste urządzenie zaproponowane zgodnie z wynalazkiem może być uniwersalnie stosowane, z minimalnym nakładem środków na jego wytworzenie lub adoptowanie do istniejących urządzeń.

Urządzenie stosuje się w wyrobach przeznaczonych do stereofonicznego odtwarzania dźwięku. Działa ono fizycznie w sposób następujący: fale dźwiękowe, emitowane przez znane przetworniki akustyczne w formie fal kulistych przekształcają się dzięki wmontowanemu odcinkowi falowodu akustycznego i oddziaływaniu jego powierzchni czołowych na fale dźwiękowe płaskie, rozchodzące się tylko w jednym kierunku.

Po przejściu wchodzącej do odcinka falowodu akustycznego, kulistej, niespolaryzowanej fali akustycznej, przekształca się ona w falę, w której występują już tylko drgania w kierunku osi wzdłużnej falowodu akustycznego.

Jeżeli przetworniki akustyczne są umieszczone w dwuodcinkowych falowodach akustycznych, to przez każdy z nich przemieszczają się dwie niezależne fale dźwiękowe. Drgania, które występują między powierzchniami czołowymi odcinka falowodu akustycznego i posiadają określone częstotliwości, potrafią odszukać na zewnątrz falowodu odpowiadające sobie fazowo udziały fal i wypełnić się (zamknąć) poprzez przestrzeń zewnętrzną. Zjawisko takie jest podobne do zjawiska spolaryzowanego pola magnetycznego, które także zamyka się poprzez otoczenie. Tak uzyskiwany kierunek rozchodzenia się fal jest dodatkowo podkreślany akustycznie przez usytuowane w tym kierunku ściany pomieszczenia, w którym odtwarzane są dźwięki oraz sufit w tym pomieszczeniu. Osiągnięty kierunek drgań jest zgodny z kierunkiem organu słuchu słuchacza i wykazuje bardzo szeroką i przejrzystą jakość stereofonicznego odbioru.

Wynalazek, tak prosty w konstrukcji i skUteczny w działaniu, wynika z prawidłowości jego świadomego, celowego zaprojektowania. Kształt falowodu akustycznego zapewnia osiowe rozchodzenie się fali akustycznej w jego wnętrzu, tak, aby nie pojawiały się żadne odbicia oraz nie występowały zawirowania czynnika przenoszącego tą falę. Ponieważ struktury zbudowane z dobrych przewodników akustycznych i posiadające kształty rur, prętów lub włókien wykazują małe straty energii akustycznej w kierunku wzdłużnym, to falowód może być zbudowany w kształcie wydłużonego, wydrążonego wewnątrz korpusu. Najlepiej, jeżeli ten korpus jest wykonany w kształcie odcinka plastykowej lub metalowej cienkościennej rury. Szczególnie korzystna jest rura wykonana ze zwalcowanego na twardo i zrolowanego aluminium. Rura ta może być wypełniona materiałem tłumiącym fale dźwiękowe w kierunku poprzecznym. Rozwiązanie takie jest szczególnie korzystne w przypadku urządzenia, w którym odtwarzanie niskich częstotliwości zostało celowo znacznie ograniczone.

Przy zastosowaniu głośników szerokopasmowych rura może być zbudowana z wzajemnie równoległych, ściśle do siebie przylegających, płaskich albo zrolowanych warstw, szczególnie kartonowych i może być wypełniona wewnątrz przez przebiegające wzdłużnie warstwy lub wiązki złożone z rurek, prętów i im podobnych.

W celu uzyskania dobrej jakości stereofonicznej stosowane w urządzeniu membrany są możliwie płaskie i ustawione prostopadle do osi wzdłużnej odcinka falowodu akustycznego.

Efekt stereofoniczny może być jeszcze ulepszony poprzez umieszczenie jednego lub więcej równoległych do siebie i obok siebie położonych odcinków falowodu akustycznego w jednej, wspólnej dla' nich, wzdłużnej i obustronnie otwartej obudowie.

Zamierzony kierunek rozchodzenia się fal może zostać zgodnie z wynalazkiem dodatkowo uwypuklony (zaznaczony, podkreślony) poprzez umieszczenie obok odcinków falowodu położonych w stosunku do nich wzdłUżnie, płaskich lub zwichrowanych płyt. Korzystne jest, aby te płyty, jeśli' są zwichrowane, posiadały powierzchnię stożkową, najlepiej hiperboliczną, a odcinki falowodów powinny znajdować się w osi krzywizny tej powierzchni.

Dla uzyskania efektu stereofonicznego o bardzo realistycznej, wiernej przestrzenności odtwarzania, każdy kanał stereofoniczny, zgodnie z wynalazkiem ma przynajmniej dwa równoległe i położone blisko siebie odcinki falowodów akustycznych, z których każdy posiada przynajmniej jeden przetwornik elektroakustyczny. Tak zbudowane urządzenie tworzy wyjście kanałU stereofonicznego w dwu przeciwległych sobie kierunkach. W przypadku pobudzenia dwu przetworników elektroakustycznych sygnałami, które posiadają dokładnie tą samą fazę, emitowane są akustyczne sygnały monofoniczne, które ulegają prawie całkowitemu wygaszeniu w miejscach znajdujących się na linii środkowej, prostopadłej do odcinka falowodu. Wygaszenie takie nie jest w praktyce całkowite, bowiem jest ono kompensowane przez niesymetrię ścian pomieszczenia o odbicia

174 848 dźwięków od tych ścian. Jeśli jednak, zgodnie z wynalazkiem, obydwa przetworniki elektroakustyczne pobudzone są z przesunięciem fazowym, najlepiej o 180°, to wygaszenie to już nie następuje i w rezultacie całe pomieszczenie wypełnia się czystym dźwiękiem. Zmiana biegunowości przetworników elektroakustycznych zgodnie z wynalazkiem powoduje więc uzyskanie zaskakującego efektu przestrzennego i prowadzi do spektakularnego powiększenia i otwarcia pomieszczenia, w którym odtwarzane są dźwięki. Wspomniane uprzednio pozytywne oddziaływanie ścian pomieszczenia i sufitu staje się zbędne.

Efekt taki zapewnia, zgodnie z wynalazkiem, zaopatrzenie układu sterującego urządzeniem w przesuwnik fazowy sygnałów wysterowujących kanał stereofoniczny, który to przesuwnik pobudza z przesunięciem fazowym lub przeciwsobnie należące do danego kanału stereofonicznego przetworniki elektroakustyczne. Wielkość przesunięcia fazowego może być ustalana przy zmianie czasów przebiegów sygnałów sterujących.

Aby jak najlepiej wykorzystać właściwości polaryzatora akustycznego w układzie sterującym przewidziano zgodnie z wynalazkiem filtry środkowo-przepustowe, przy pomocy których zakres odtwarzanych częstotliwości stereofonicznych jest podzielony na podzakresy, a każdy z tych podzakresów steruje jednym przetwornikiem elektroakustycznym umieszczonym w polaryzatorze akustycznym.

W celu uzyskania subiektywnych efektów stereofonicznych przewidziano także zgodnie z wynalazkiem w układzie sterującym mikser sygnałów, przy pomocy którego przesunięte w czasie sygnały jednego kanałU nakładają się z określonym udziałem na sygnały kanału sterowanego.

Układ sterujący można także zaopatrzyć w układ linearyzujący charakterystykę amplitudowo-fazową sygnałów wysterowujących kanał stereofoniczny.

Układ sterujący zawierający wskazane układy, można zrealizować w dowolny, znany specjalistom sposób z wykorzystaniem dostępnych technik i elementów.

174 848

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims (14)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do odtwarzania sygnałów akustycznych w zakresie częstotliwości stereofonicznych, składające się z jednego lub więcej przetworników elektroakustycznych wraz z przynależnymi układami sterującymi, znamienne tym, że każdy przetwornik elektroakustyczny jest wyposażony w położony wzdłużnie na jego osi odcinek falowodu akustycznego, przy czym odcinek ten jest polaryzatorem akustycznym, a- powierzchnie czołowe tego odcinka są biegunami polaryzatora akustycznego przy pobudzaniu przetwornika elektroakustycznego, przez połączony z tym przetwornikiem układ sterujący.
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że odcinek falowodu akustycznego posiada kształt wydłużonego, wydrążonego korpusu, korzystnie w kształcie rury o cienkiej ściance z tworzywa sztucznego lub metalu.
3. 3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że odcinek falowodu akustycznego w kształcie korpusu, zwłaszcza o dużej średnicy w stosunku do jego długości, składa się z wzajemnie równoległych, ściśle do siebie przylegających, płaskich albo zrolowanych warstw.
4. 4. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że powierzchnie czołowe odcinka falowodu w kształcie korpusu są powierzchniami możliwie płaskimi i ustawionymi prostopadle do osi wzdłużnej korpusu.
5. 5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że co najmniej jedna powierzchnia czołowa korpusu jest cienką membraną, zwłaszcza membraną przetwornika sygnałów akustycznych.
6. 6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że przetworniki elektroakustyczne są głośnikami.
7. 7. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że we wnętrzu korpusu jest umieszczona co najmniej jedna wiązka lub warstwa utworzona z przebiegających wzdłużnie rurek, sztabek lub włókien.
8. 8. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że co najmniej jeden z równoległych i położonych obok siebie odcinków falowodów akustycznych jest usytuowany w wydłużonej, wspólnej ich obudowie.
9. 9. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że na zewnątrz co najmniej jednego z równoległych i położonych obok siebie falowodów akustycznych są usytuowane wydłużone, płaskie lub zwichrowane płyty.
10. 10. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że płyty w postaci zwichrowanej posiadają powierzchnię stożkową zwłaszcza uformowaną hiperbolicznie, a odcinki falowodów są umieszczone w osi krzywizny tej powierzchni.
11. 11. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że układ sterujący każdego urządzenia tworzącego jeden kanał stereofoniczny i zawierającego przynajmniej dwa wzajemnie równoległe, sąsiednio do siebie położone odcinki falowodów akustycznych, z których każdy zawiera przynajmniej jeden przetwornik elektroakustyczny, jest wyposażony w przesuwnik fazowy sygnałów sterujących tego kanału stereofonicznego.
12. 12. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że układ sterujący każdego urządzenia tworzącego jeden kanał stereofoniczny i zawierającego przynajmniej dwa wzajemnie równoległe, sąsiednio do siebie położone odcinki falowodów akustycznych, z których każdy zawiera przynajmniej jeden przetwornik elektroakustyczny, jest wyposażony w co najmniej jeden filtr pasmowo-przepustowy sygnałów sterujących tego kanału stereofonicznego.

    174 848
13. 13. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że układ sterujący każdego urządzenia tworzącego jeden kanał stereofoniczny i zawierającego przynajmniej dwa wzajemnie równoległe, sąsiednio do siebie położone odcinki falowodów akustycznych, z których każdy zawiera przynajmniej jeden przetwornik elektroakustyczny, jest wyposażony w mikser sygnałów sterujących dwu kanałów stereofonicznych.
14. 14. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że układ sterujący każdego urządzenia tworzącego jeden kanał stereofoniczny i zawierającego przynajmniej dwa wzajemnie równoległe, sąsiednio do siebie położone odcinki falowodów akustycznych, z których każdy zawiera przynajmniej jeden przetwornik elektroakustyczny, jest wyposażony w linearyzator charakterystyki amplitudowej i/lub fazowej sygnałów sterujących tego kanału stereofonicznego.