PL182443B1 - Urządzenie do pobierania dźwięku w telekomunikacyjnym urządzeniu głosowym - Google Patents

Abstract

1. Urzadzenie do pobierania dzwieku w telekomunikacyjnym urzadzeniu gloso- wym, takim jak przenosne radio, walkie- talkie, przenosny telefon lub telefon bez- przewodowy, zawierajace odchylna czesc, skladana na korpus telefonu, w której to czesci znajduje sie wlot wyznaczajacy je- den koniec prowadnika dzwieku majacego zadany geometryczny ksztalt, przy czym prowadnik dzwieku jest polaczony z wne- trzem korpusu telefonu, znamienne tym, ze mikrofon (6) jest umieszczony w korpu- sie (2) telefonu w polaczeniu z prowadni- kiem dzwieku (5) w odleglosci okolo 2/3 calej dlugosci prowadnika dzwieku od wlotu (4, 9), w miejscu zaniku akustyczne- go rezonansu. Fig. 2a PL PL PL PL

Description

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest urządzenie do pobierania dźwięku w telekomunikacyjnym urządzeniu głosowym, a zwłaszcza urządzenie do przetwarzania głosu w telefonicznym/głosowym urządzeniu telekomunikacyjnym z mikrofonem i jego umieszczenie.

Telefony przenośne i inne utrzymywane w dłoni współczesne telekomunikacyjne urządzenia głosowe, takie jak walkie-talkie, naziemne przenośne radia i telefony bezprzewodowe, często posiadają, mikrofon umieszczony wewnątrz korpusu telefonu, w jego zakończeniu najbardziej zbliżonym do ust, w celu zapewnienia jak najlepszego pobierania głosu. Dzięki umieszczeniu mikrofonu w pobliżu ust stosunek bezpośredniego dźwięku z głośnika do szumu wnoszonego przez otoczenie jest duży, dzięki czemu zapewnia się dużą wartość współczynnika sygnału do szumu SNR. Ponieważ technologia zmierza do wytwarzania coraz to mniejszych telefonów przenośnych, oznacza to, że stają się one tak małe, że prawie nie mogą dosięgnąć ust w czasie konwersacji, tzn. gdy słuchawka jest dociśnięta do ucha.

W opisie patentowym nr EP 0 275 996 przedstawiono telefon z odchylaną pokrywą (flip-cover), która jest odginana od korpusu w trakcie konwersacji. Ta odchylana pokrywa jest stosowana do prowadzenia dźwięku, przez umieszczony w niej wlot dźwięku, z ust do mikrofonu umieszczonego wewnątrz korpusu telefonu. Wlot dźwięku składa się ze szczeliny w odchylanej pokrywie i z kanału powietrznego prowadzącego do korpusu telefonu, w którym znajduje się mikrofon, który jest umieszczony w końcówce do mówienia, w korpusie telefonu, to znaczy w końcu najbliższym odchylanej pokrywie. Problem związany z takimi kanałami powietrznymi z jednym zamkniętym końcem i drugim otwartym jest taki, że powstaje zjawisko rezonansu, w wyniku czego zawsze powstają tony górne składowe. Ponieważ kanał powietrzny, zgodnie ze wspomnianym opisem patentowym, jest zawsze ograniczony przy jednym końcu przez mikrofon, powstają liczne częstotliwości nadpodstawowe/rezonansowe, w wyniku czego zostaje uzyskana nierównomierna krzywa częstotliwości z odpowiednią

182 443 liczbą wartości szczytowych. Fakt ten ma oczywiście ujemny wpływ na jakość dźwięku. Możliwe jest umieszczanie materiału wytłumiającego po wewnętrznej stronie kanału powietrznego w celu wytłumiania różnych tonów górnych składowych. W celu uzyskania dobrego wytłumiania i równomiernej odpowiedzi częstotliwościowej, trzeba zastosować dużą ilość materiału wytłumiającego, co często prowadzi do zmniejszonej czułości akustycznej. Alternatywnym rozwiązaniem jest umieszczanie mikrofonu w zakończeniu odchylanej pokrywy. W tym przypadku jest on jednak stosunkowo pozbawiony ochrony, przy czym trudno jest wykonać niezawodny styk między odchylaną pokrywą i korpusem telefonu. Poza tym trudniejsza jest ochrona mikrofonu i złącza stykowego przed wpływem częstotliwości radiowych.

Mikrofon jest generalnie umieszczony wewnątrz korpusu telefonu. Obecnie przenośne telefony są wytwarzane w tak małych rozmiarach, że usta mówiącej osoby znajdują się w tak dużym oddaleniu od mikrofonu, że nie można osiągnąć dobrej jakości rozmowy, gdy telefon jest utrzymywany w pozycji do rozmowy. Powoduje to, że zbyt mała część energii mowy i zbyt duża część szumu otoczenia są pobierane przez mikrofon. Częściowo ten problem może być rozwiązany przez odchylaną od korpusu telefonu pokrywę. Odchylana pokrywa prowadzi lub odbija energię mowy w kierunku mikrofonu. Ponieważ to rozwiązanie często nie jest wystarczające w bardzo małych telefonach, stosuje się również inne sposoby wychwytywania mowy. Realizuje się to przez rozmieszczenie pewnego rodzaju prowadników dźwięku na odchylanej pokrywie, na przykład wlotu do wnęki, która prowadzi, wewnątrz odchylanej pokrywy, do korpusu telefonu w miejsce, gdzie umieszczony jest mikrofon. Dzięki temu dźwięki mowy mogą być zbierane. Dodatkową zaletąjest fakt, że szum otoczenia jest wyciszany.

Gdy opisany prowadnik dźwięku jest umieszczony w otworze w odchylanej pokrywie, a przejścia dla powietrza/dźwięku prowadzą do mikrofonu w drugim końcu prowadnika dźwięku, zgodnie z prawami fizyki powstają fale stojące, które przy rozpatrywaniu widma częstotliwości mogą być postrzegane jako jedna podstawowa składowa i liczne tony górne składowe. Nachodzą one na siebie nawzajem, przez co wzrasta ilość maksimów i minimów fali dźwiękowej. W rezultacie powstaje nierównomierna transmisja częstotliwości, co jest widoczne przy pomiarach częstotliwości odpowiedzi. W widmie mowy będą powstawać wartości szczytowe rezonansu. Poprzez wyciszenie prowadnika dźwięku na różne sposoby (w minimach ciśnienia dźwięku prędkość cząstek powietrza jest największa) uzyskuje się wyrównywanie krzywej częstotliwości. Może to być wystarczające dla wytłumienia małej liczby szczytów rezonansowych (2 lub 3) dla uzyskania akceptowalnej krzywej odpowiedzi częstotliwościowej w widmie mowy. Trzeba pójść na kompromis, gdy tłumienie następuje w wielu miejscach w prowadniku dźwięku, ponieważ cała energia mowy może zostać wytłumiona do tego stopnia, że dźwięk pobierany przez mikrofon będzie zbyt słaby dla uzyskania wystarczającej czułości akustycznej. W skrócie, problem polega na tym, w jaki sposób uzyskać, przy zastosowaniu kanału dźwiękowego zapewniającego dużą wartość współczynnika stosunku sygnału do szumu SNR dzięki wlotowi umieszczonemu w pobliżu ust rozmówcy, równomierną charakterystykę częstotliwości bez pogorszenia czułości akustycznej w wyniku użycia zbyt dużej ilości materiału tłumiącego wewnątrz kanału dźwiękowego.

Urządzenie do pobierania dźwięku w telekomunikacyjnym urządzeniu głosowym, takim jak przenośne radio, walkie-talkie, przenośny telefon lub telefon bezprzewodowy, zawierające odchylną część, składaną na korpus telefonu, w której to części znajduje się wlot wyznaczający jeden koniec prowadnika dźwięku mającego zadany geometryczny kształt, przy czym prowadnik dźwięku jest połączony z wnętrzem korpusu telefonu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że mikrofon jest umieszczony w korpusie telefonu w połączeniu z prowadnikiem dźwięku w odległości około 2/3 całej długości prowadnika dźwięku od wlotu, w miejscu zaniku akustycznego rezonansu.

Korzystnym jest, że mikrofon jest umieszczony we wnęce 7 wewnątrz prowadnika dźwięku lub jest zamontowany w ściance prowadnika dźwięku, tak że wlot mikrofonu jest ustawiony prostopadle do osi symetrii prowadnika dźwięku.

182 443

Korzystnym jest, że prowadnik dźwięku jest zaopatrzony w przewężenie wewnętrznego tunelu powietrznego w miejscu występowania minimum ciśnienia dźwięku pierwszego tonu składowego górnego.

Korzystnym jest, że wewnątrz prowadnika dźwięku jest umieszczony akustyczny filtr wytłumiający, w miejscu występowania pierwszego minimum ciśnienia dźwięku pierwszego tonu składowego górnego.

Problem wspomnianego kompromisu został dzięki rozwiązaniu według wynalazku pokonany poprzez umieszczenie mikrofonu w odległości 2/3 całej długości prowadnika od jego wlotu, a nie w najbardziej wewnętrznym jego końcu. Obliczenia wykazują, że jest to korzystne rozwiązanie, ponieważ interferencja kasuje w tym miejscu drugi ton składowy górny, dzięki czemu nie może powstać pik rezonansowy. Pierwszy ton składowy górny zostaje wytłumiony w zwykły sposób, odpowiednio wybraną metodą. Dzięki temu, uzyskiwana jest prosta odpowiedź częstotliwościowa przy jednoczesnym utrzymaniu dużej czułości akustycznej wraz z dużą wartością współczynnika stosunku sygnału do szumu SNR, ponieważ nie potrzebne jest już wytłumianie drugiego tonu składowego górnego w klasyczny sposób. Ponadto wspomniane obliczenia wykazują, że można uzyskać dodatkowy korzystny efekt, gdy długość prowadnika dźwięku wynosi około 6 cm. W tym przypadku drugi ton składowy górny pojawi się przy częstotliwości około lub nieznacznie ponad 4 kHz. Jest to bardzo pożądana wartość, ponieważ cyfrowe systemy telefoniczne mają częstotliwość próbkowania 8 kHz oraz widmo głosu, które zgodnie z teorią Nyqvista nie może zawierać częstotliwości większych niż połowa częstotliwości próbkowania, tzn. 4 kHz, jeśli ma się uniknąć tak zwanych zniekształceń aliasingu.

Odległość pomiędzy mikrofonem, który jest zamontowany wewnątrz telefonu przenośnego i ustami rozmówcy obecnie wynosi około 4 cm. Dzięki wykonaniu przewodnika o długości 6 cm i umożliwieniu, by wystawał na około 4 cm z korpusu telefonu możliwe jest, by mikrofon pozostawał wewnątrz korpusu telefonu. Pozostałe 2 cm przewodnika znajdują się więc w korpusie telefonu, albo prowadnik dźwięku jest zawijany do odchylanej pokrywy.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia znany przenośny telefon w widoku z boku, fig. 2a - przenośny telefon według wynalazku w widoku z boku, w przykładzie realizacji z mikrofonem umieszczonym w prowadniku dźwięku, fig. 2b - przenośny telefonu według wynalazku w widoku z boku, w przykładzie realizacji z mikrofonem umieszczonym we wnęce w ściance prowadnika dźwięku, fig. 3a - przenośny telefon według wynalazku w widoku z boku, w kolejnym przykładzie realizacji z rurką zamiast odchylanej pokrywy, fig. 3b - przenośny telefon według wynalazku taki jak na fig. 3a, z tym że z innym rozmieszczeniem mikrofonu, w widoku z boku, a fig. 4 przedstawia doświadczalne krzywe odpowiedzi częstotliwościowej z nagrania dźwięku w układzie doświadczalnym.

Zgodnie z korzystnym przykładem wykonania według wynalazku, na fig. 2a przedstawiono telefon 1 z pokrywą 3, która jest zamocowana odchylnie względem korpusu telefonu 2. Na odchylanej pokrywie 3 znajdują się szczeliny 4 oraz tu rozpoczyna się prowadnik dźwięku 5, mający postać wydrążonego przejścia, który prowadzi do korpusu telefonu 2. Prowadnik dźwięku ę przebiega dalej w korpusie telefonu 2 i służy jako przewodnik mowy do mikrofonu

6. Należy podkreślić, że prowadnik dźwięku nie musi mieć takiego wyglądu jak pokazano na rysunku. Może on na przykład być ukształtowany jako wystająca część z tworzywa sztucznego na odchylanej pokrywie, mając postać tunelu powietrznego, lub też może być wykonany jako szczelina wzdłuż jednej krawędzi odchylanej pokrywy. Wynalazek nie ogranicza się więc do konkretnego kształtu, umieszczenia lub toru prowadnika dźwięku. Może on również przyjmować postać, jak pokazano na fig. 3a i 3b, zwykłej rurki 8, która wystaje z korpusu telefonu, a jej wlot 9 znajduje się w oddalonym końcu, najbardziej zbliżonym do ust rozmówcy.

Odchylana pokrywa nie jest więc niezbędna. Wspólne dla wszystkich rozwiązań jest to, że prowadnik dźwięku 5 prowadzi do korpusu telefonu 2, a mikrofon 6 jest umieszczony w korpusie telefonu. Możliwe jest również umieszczanie mikrofonu schowanego we wnęce 7 w prowadniku dźwięku, jak to pokazano na fig. 2b i 3b, lub po prostu w odpowiednim wgłębieniu w ściance prowadnika dźwięku.

182 443

Przy zastosowaniu prowadnika dźwięku według wynalazku, częstotliwości rezonansowe, zgodnie z prawami fizyki, powstają w różnych położeniach na krzywej odpowiedzi częstotliwościowej, w zależności od tego jak długi jest tunel powietrzny. Dzięki dobraniu długości prowadnika dźwięku około 40-60 mm, pierwsza częstotliwość rezonansowa 10 występuje przy częstotliwości w zakresie 4300-6450 Hz, jak pokazano na fig. 4, na której przedstawiono krzywe odpowiedzi częstotliwościowej w konfiguracji testowej, gdzie zastosowano 60-cio milimetrowy prowadnik dźwięku, którego wlot był umieszczony w odległości 30 mm od ust mówiącej osoby. Patrząc na górną, zaznaczoną symbolami x krzywą 12, która odpowiada przypadkowi, gdy nie zastosowano żadnego materiału tłumiącego wewnątrz prowadnika dźwięku, można zauważyć, że krzywa jest bardzo nierównomierna. Ta nierównomierność jest wytłumiana w konfiguracji testowej w dwóch etapach, przy użyciu dwóch różnych materiałów wytłumiających, którym odpowiadają dwie środkowe krzywe na fig. 4. Druga od góry krzywa odpowiada prowadnikowi dźwięku z umieszczonym w jego wnętrzu materiałem wytłumiającym, a druga od dołu krzywa odpowiada zastosowaniu jeszcze większej ilości materiału wytłumiającego. Czwarta, dolna krzywa pokazuje odpowiedź częstotliwościową w przypadku mikrofonu w tej samej odległości od ust, lecz bez żadnego prowadnika dźwięku. Wyliczając, gdzie wystąpiłoby minimum ciśnienia w tunelu powietrznym o określonej długości, możliwe jest precyzyjne umieszczenie materiału wytłumiającego w określonych miejscach, co pozwala na pozbycie się pików rezonansowych. Wadą takiego podejścia jest to, że prowadnik dźwięku trzeba wytłumić w dosyć dużym stopniu i w wielu miejscach, dla zapewnienia równomiernej krzywej częstotliwości. Wpływa to na czułość akustyczną jak to wyraźnie widać na wykresach. Im więcej używa się materiału wytłumiającego, tym. gorsza będzie czułość, to znaczy krzywe będą przebiegać niżej na osi y.

Ponieważ pożądane widma mowy w systemie GSM nie mogą zawierać częstotliwości większych niż 4 kHz, konieczne jest, zgodnie z teorią Nyqvistą, próbkowanie przynajmniej z częstotliwością dwa razy większą i w ten sposób jest to realizowane w cyfrowych systemach telefonicznych, gdzie częstotliwość próbkowania Fs wynosi 8 kHz. Pożądane jest więc, by częstotliwość odpowiedzi przenosiła jak najmniejszą część energii przy częstotliwościach powyżej 4 kHz, gdyż w przeciwnym przypadku powstawałyby zniekształcenia związane z aliasingiem w widmie mowy, co prowadziłoby do pogorszenia jakości dźwięku. Jeśli wybierze się długość prowadnika dźwięku w zakresie 40-60 mm, druga częstotliwość rezonansowa wynosi, jak to już wspomniano, 4300-6450 kHz i może być zgodnie z wynalazkiem akustycznie wytłumiana poprzez umieszczenie mikrofonu w odległości 2/3 całkowitej długości prowadnika dźwięku od jego wlotu 4, wewnątrz tego prowadnika dźwięku. Jak przedstawiono na fig. 4, rezonans jest całkowicie wytłumiony i opada na wykresie poniżej punktu 11, by ponownie wzrosnąć do trzeciego piku rezonansowego 13. Pożądane jest przy tym wytłumianie częstotliwości od 4000 Hz, a nie od 4300 Hz. Dla podanych powyżej wymiarów przewodnika wytłumianie występuje przy częstotliwości około 4000 Hz, a nie przy teoretycznie wyznaczonej wartości 4300 Hz, ponieważ prowadnik dźwięku, z akustycznego punktu widzenia jest dłuższy, to znaczy dźwięk potrzebuje więcej czasu na propagację w prowadniku dźwięku, jeśli jest on wyłożony materiałem wytłumiającym. W ten sposób redukowane są wszystkie częstotliwości rezonansowe i sprowadzane do pożądanego poziomu.

W określonym punkcie, zgodnie z poniżej przedstawionymi wyliczeniami, różne tony składowe górne znoszą się i nie powstaje pik rezonansowy powodowany przez ton składowy górny w tym danym miejscu.

Obecnie przedstawione zostaną obliczenia, które teoretycznie wyznaczają, gdzie powinien być umieszczony mikrofon dla uzyskania pożądanego efektu.

Założenia: Prowadnik dźwięku posiada jeden otwarty koniec i jeden zamknięty. Cały dźwięk niezależnie od częstotliwości jest odbierany przez mikrofon zamontowany w zamkniętym końcu prowadnika dźwięku. Przy określonych częstotliwościach, tak zwanych częstotliwościach rezonansowych, prowadnik dźwięku znacząco wzmacnia dźwięk. Te częstotliwości rezonansowe występują gdy istnieje miejsce dla nieparzystej liczby ćwiartek przebiegu falowego (λ/4) w przewodniku, to znaczy długość wewnętrznego tunelu powietrznego jest

182 443 równa nieparzystej liczbie ćwiartek przebiegu falowego. Prowadnik dźwięku o tej własności jest często nazywany rurkąćwierćfalową (quarter-wave pipe).

W takiej rurce powstają rezonanse przy długości fali λ określonej wzorem:

(1) λ = 4L/ (2n+1), gdzie L oznacza długość rurki w metrach, a n oznacza kolejne liczby naturalne n=0,l,2...

dla której częstotliwości rezonansowe (f) wynoszą:

(2) f = v/ λ = [(2n+1)v]/4L, gdzie v oznacza prędkość propagacji dźwięku w powietrzu (około 344 m/s).

W rurce ćwierćfalowej występuje fala stojąca, a w tej fali stojącej maksymalne ciśnienie dźwięku i maksymalna prędkość cząsteczek powietrza są przemieszczone względem siebie o 180°. Oznacza to, że przy zamkniętym końcu, gdzie prędkość ruchu spowodowanego sztywną ścianką jest zerowa, ciśnienie dźwięku jest największe. Miejsce występowania w rurce największej prędkości ruchu (minimalnego ciśnienia dźwięku), mierząc od otwartego końca, jest wyznaczone wzorem:

(3) x = L - (λ /4), gdzie x oznacza odległość od otwartego końca, a λ jest wyznaczana w równaniu (1).

Tak więc dla wartości podstawowej (n=0) minimum ciśnienia dźwięku wystąpi w punkcie x = 0, to znaczy przy wlocie do rurki, a dla drugiego rezonansu (n=1) minimum ciśnienia dźwięku wystąpi w x = L- 4L/12 = 2L/3.

Jeśli L = 6 cm, to x = 2 x 6/3 = 4 cm.

Jeśli mikrofon jest umieszczony w punkcie x = 4, nie wystąpi żadne zauważalne ciśnienie dźwięku dla drugiej częstotliwości rezonansowej, tzn. przy 4300 Hz.

Na fig. 2b zilustrowano główną zasadę umieszczania mikrofonu. Oznaczając w tym przykładzie wykonania odległość od wlotu do zagięcia w prowadniku dźwięku jako a, odległość od tego zagięcia do środka mikrofonu jako b, oraz odległość od tego środka mikrofonu do ścianki ograniczającej koniec jako c, powinno być spełnione równanie a+b = 2c dla uzyskania prawidłowego umieszczenia mikrofonu.

Następnie pozostaje jedynie wytłumienie pierwszej częstotliwości rezonansowej za pomocą materiału wytłumiającego w miejscu, gdzie prędkość ruchu jest maksymalna. Wytłumienie może być korzystnie uzyskane przy pomocy porowatego materiału lub innej wytłumiającej akustycznie kraty, które pochłaniają akustyczną energię kinetyczną w prowadniku dźwięku. Można zastosować spiek w postaci kraty drobnoziarnistej z poprzecznie ułożonymi stalowymi drutami. Alternatywnie, korzystne jest wykonanie przewężenia w prowadniku dźwięku w rozważanym obszarze. Kolejnym korzystnym rozwiązaniem jest wykonanie bardzo wąskiego prowadnika dźwięku w celu wytłumienia w ten sposób pików rezonansowych. Wszystkie te rozwiązania mogą być realizowane w kontekście rozmieszczenia mikrofonu.

Na figurach 2a, 2b, 3a i 3b przedstawiono różne przykłady telekomunikacyjnych urządzeń głosowych z prowadnikami dźwięku prowadzącymi do korpusu telefonu, gdzie umieszczony jest mikrofon 6. W punkcie, gdzie odchylana pokrywa lub rurka posiada przegub, który może być zaginany w kierunku korpusu telefonu, konieczne jest umieszczenie pewnego rodzaju uszczelki, aby nie zmieniać własności akustycznych prowadnika dźwięku. Ważne jest również, aby żadne dźwięki interferencyjne nie były w tym miejscu wprowadzane.

Claims (4)

1. Urządzenie do pobierania dźwięku w telekomunikacyjnym urządzeniu głosowym, takim jak przenośne radio, walkie-talkie, przenośny telefon lub telefon bezprzewodowy, zawierające odchylną część, składaną na korpus telefonu, w której to części znajduje się wlot wyznaczający jeden koniec prowadnika dźwięku mającego zadany geometryczny kształt, przy czym prowadnik dźwięku jest połączony z wnętrzem korpusu telefonu, znamienne tym, że mikrofon (6) jest umieszczony w korpusie (2) telefonu w połączeniu z prowadnikiem dźwięku (5) w odległości około 2/3 całej długości prowadnika dźwięku od wlotu (4, 9), w miejscu zaniku akustycznego rezonansu.

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że mikrofon (6) jest umieszczony we wnęce (7) wewnątrz prowadnika dźwięku lub jest zamontowany w ściance prowadnika dźwięku, tak że wlot mikrofonu jest ustawiony prostopadle do osi symetrii prowadnika dźwięku.

3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że prowadnik dźwięku jest zaopatrzony w przewężenie wewnętrznego tunelu powietrznego w miejscu występowania minimum ciśnienia dźwięku pierwszego tonu składowego górnego.

4. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że wewnątrz prowadnika dźwięku jest umieszczony akustyczny filtr wytłumiający, w miejscu występowania pierwszego minimum ciśnienia dźwięku pierwszego tonu składowego górnego.